Hidrelétricas 2

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Engenharia Elétrica
Centrais Elétricas
Hidrelétricas
Profª Viviane Reis de Carvalho
(vivianecarvalho@pucminas.br)
Abril / 2023
Turbinas Hidráulicas
As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia hidráulica (a energia de pressão e a energia cinética de um fluxo de água), em energia mecânica.
Os três tipos principais de turbinas são:
Pelton;
Francis;
Kaplan;
Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas com uma determinada faixa de altura de queda e vazão. 
Turbinas Hidráulicas
As turbinas podem ser classificadas como:
Turbinas de ação, de impulso ou de jato livre:
A energia mecânica é convertida a partir da energia cinética devido ao escoamento do fluido, sem haver variação de pressão durante a passagem pelo rotor da turbina.
Turbinas de reação ou de jato forçado:
O trabalho mecânico é proveniente de dois efeitos que ocorrem no rotor da turbina. Primeiramente, em função da variação da pressão no interior do rotor, surge uma parcela de energia denominada como energia de reação. A segunda parcela, denominada impulsiva, é decorrente da variação da direção do fluxo que ocorre quando o fluido passa por entre as pás do rotor.
Turbinas Hidráulicas
Turbinas de ação, de impulso ou de jato livre. Exemplo Pelton
Turbinas de reação ou de jato forçado. Exemplo: Francis, Kaplan
Água
Água
Água
Água
Movimento
Movimento
Turbinas Hidráulicas
Turbinas Hidráulicas
As turbinas também podem ser classificadas de acordo com a trajetória da água no seu interior:
Turbina tangencial: a água incide sobre o rotor na tangencial. Exemplo: Pelton
Turbina radial: a água penetra no rotor na direção radial e é posteriormente desviada para a direção axial. Exemplo: Francis (mista)
Turbina axial: a água desenvolve em relação ao rotor uma trajetória axial. Exemplo: Kaplan
Turbinas Hidráulicas - trajetória da água
Pelton					Francis				Kaplan
TANGENCIAL
Axial
Radial
MISTA
Turbinas Hidráulicas
Turbinas Hidráulicas
Henry Borden
Exemplos com Turbina Pelton
Turbina Pelton
São adequadas para operar entre quedas de 350 até 1100m e baixa vazão;
Turbina Pelton
Turbina Pelton
https://www.youtube.com/watch?v=7f5yd7g8MWg
agulha injetora (controle da potência) 
É uma turbina de ação, em que a água é injetada por uma tubeira, que converte a pressão hidráulica da grande queda em um jato de alta velocidade. 
Ao colidir com as pás, a direção e a magnitude do jato de água é modificado devido ao perfil curvo das pás. 
Nesse processo, a quantidade de movimento do jato é transferida para as pás sob a forma de impulso. Esse impulso está associado a uma força que produz torque e trabalho mecânico no eixo da turbina. 
O controle de potência é feito através da abertura da agulha injetora na tubeira.
 A turbina Pelton pode ser instalada horizontal ou verticalmente, dependendo das características do projeto
Turbina Pelton
Turbina Francis
São adequadas para operar entre quedas de 40m até 400m e com vazão média
Turbina Francis
https://www.youtube.com/watch?v=66J9eaPhvEI
Turbina Francis
Turbina de reação que funciona com uma diferença de pressão entre os dois lados do rotor.
A água entra pela tomada de água a montante da usina (localizada em nível mais elevado) e é levada através de um conduto forçado até o distribuidor da turbina. 
O distribuidor possui um conjunto de pás móveis, cujo objetivo é ajustar o ângulo de entrada da água, dando maior rendimento à turbina em uma grande faixa de operação.
A água ocupa completamente a cavidade destinada ao rotor e ao fluir, transfere tanto energia de pressão quanto energia cinética às pás do rotor.
Turbina Kaplan
São adequadas para operar para operar em quedas até 60m e com alta vazão.
Turbina Kaplan
Turbina Kaplan
São turbinas de reação constituídas por câmara de entrada que pode ser aberta ou fechada, por um distribuidor e por uma roda com pás em forma de hélice. 
Quando estas pás são fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice. Se as pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque por meio de um mecanismo de orientação, diz-se que a turbina é do tipo Kaplan.
São reguladas através da ação do distribuidor e com auxílio da variação do ângulo de ataque das pás do rotor o que lhes confere uma grande capacidade de regulação. 
Turbina Bulbo
Operam em quedas de água abaixo de 20m;
É uma turbina Kaplan conectada diretamente pelo eixo ao gerador (horizontalmente), que é envolvido por uma cápsula selada, sendo que todo o conjunto fica submerso no fluxo d'água.
Turbina Bulbo – Exemplo 
A usina do Sítio Pimental tem potência total de 233,1 MW e corresponde a 3% da geração do complexo Belo Monte.
As seis turbinas de Pimental são do tipo bulbo com capacidade para gerar até 38,8 MW cada uma. 
As unidades geradoras aproveitam a força natural do Xingu para gerar energia e estão localizadas ao lado do vertedouro da usina, na altura do barramento do rio.
Em decorrência dessas características, existem apenas três usinas (1,6%) operando com Turbinas Pelton no Brasil. 
Por outro lado, existem 70 usinas utilizando Turbinas Kaplan (38%) e 111 com Turbinas Francis (60%). 
Torna-se importante ressaltar que as turbinas Francis fornecem as maiores potências e o atual limite máximo de 700 MW encontra-se em Itaipu.
Turbinas Hidráulicas utilizadas no Brasil
https://www.youtube.com/watch?v=k0BLOKEZ3KU&t=41s
Comparação entre os tipos de turbina
Fabricante: Hidroenergia
Fabricante: WEG
Comparação entre os tipos de turbina
Comparação entre os tipos de turbina
Máquinas de Fluido. (HENN, Érico A. L.)
Comparação entre os tipos de turbina
ESCOLHA DO TIPO DE TURBINA
Uma turbina é escolhida para atender a determinados valores de queda (H) e de vazão (Q), que dependem das condições próprias da usina onde a mesma é instalada. 
Esta escolha depende ainda de outra grandeza, que é o número de rotações por minuto do gerador elétrico (n) que a turbina irá acionar
Conceitos importantes: Turbinas Geometricamente semelhantes, Turbina unidade, Velocidade específica
TURBINAS GEOMETRICAMENTE SEMELHANTES
São turbinas desenvolvidas sob o mesmo desenho com alteração de suas dimensões e de suas potências, ou ainda, são turbinas cujas dimensões se alteram simultânea e proporcionalmente sem que sejam alteradas suas formas geométricas.
TURBINA UNIDADE
É uma turbina hipotética, geometricamente semelhante a uma família de turbinas, que operando a uma altura disponível H=1m, fornece uma potência mecânico-motriz igual a 1cv, operando em condições semelhantes a todos os outros membros da família. 
A turbina unidade é a mesma para todas as turbinas geometricamente semelhantes de uma família e que constituem uma série de turbinas. 
Convenção: Todas as vezes que se menciona turbina unidade de uma série, estar-se-á referindo a turbinas semelhantes e em condições normais de funcionamento, isto é, trabalhando com o máximo rendimento.
Velocidade específica de uma turbina ou de uma família de turbinas geometricamente semelhantes
É a velocidade real da TURBINA UNIDADE, que qualifica a velocidade específica de todas as turbinas que lhe sejam geometricamente semelhantes. 
Assim, se uma família de turbinas Pelton, possui as mais variadas potências, aquela turbina da família que, sob uma altura disponível de H=1m, fornecer em seu eixo mecânico uma potência igual a 1cv será a TURBINA UNIDADE da família. A velocidade dessa turbina será numericamente igual à velocidade específica da família. 
Todas as demais turbinas dessa família poderão ter outras potências e outras velocidades reais, mas terão a velocidade específica definida pela turbina unidade.
A velocidade específica de uma família geometricamente semelhante de turbinas é um elemento extremamente importante para a sua classificação. 
Assim, uma turbina a ser especificada é classificada a partir de sua velocidade específica.
Tome-se por exemplo, uma turbina de reação da família Francis, que tenha uma velocidade específica igual a 400 rpm. 
Essa informação permite classificar a citada turbina e todas que lheseja geometricamente semelhantes. Por outro lado, essa turbina referida, real, em face de sua potência nominal, de sua vazão nominal e da queda disponível necessária para uma operação normal, tem uma velocidade angular nominal de 72 rpm.
Velocidade do eixo motriz de uma turbina hidráulica
A velocidade angular do eixo de uma turbina está relacionada a elementos da turbina e a elementos do aproveitamento hidroelétrico em que está colocada.
A equação abaixo permite calcular a velocidade angular no eixo motriz de uma turbina a partir da velocidade específica.
Onde:
Velocidade específica da família geometricamente semelhante em RPM
Velocidade angular do eixo motriz da turbina em RPM
Potência mecânico-motriz da turbina em CV
Altura disponível do aproveitamento em metros




Queda nominal : 72 m (Queda Disponível)
 Vazão nominal : 420 m3/s
 Potência nominal = 370 k cv
 Número de polos : 38
 f = 60 Hz
A partir dos dados acima:
Calcular a rotação nominal da máquina.
Calcular a velocidade específica da turbina (rpm)
Considerando a densidade da água 1000 kg/m³, calcule o rendimento do sistema
Exemplo 1
Queda disponível:
H = HA - HD
Uma usina hidrelétrica tem a cota a montante (reservatório), em 890m e a cota inferior (entrada da turbina), em 750m. A vazão é de 60 m3/s.
Se o rendimento do sistema da turbina for de 92%, e o rendimento do gerador for de 94%, calcule a potência deste aproveitamento hidrelétrico.
Exemplo 2
Um gerador síncrono acoplado a uma turbina hidráulica, conectado em Y, tensão de linha de 4160 V, entrega para a rede elétrica 355A a um fator de potência de 0,85.
A velocidade de rotação nominal do gerador é de 600 rpm. A queda disponível para o aproveitamento hidrelétrico é de 85 m.
 O rendimento do sistema de canalização é de 89%, o da turbina é de 90%, e o rendimento do gerador for de 95%. 
Calcule a vazão necessária para gerar a potência elétrica entregue pelo gerador.
Calcule a velocidade específica da turbina
Verifique na tabela se é possível destacar umas das subclasses de turbinas a ser usada neste caso
Exemplo 3
Subclasses de turbinas
Qual a velocidade específica de uma turbina, sendo: Q=200 m3/s, H=90m, n=150rpm, η=0,92?
Exemplo 4
Perdas nas turbinas
As principais causas de perda de energia nas turbinas são: 
Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada totalmente pela turbina.
Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais. 
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 95%, que varia conforme a vazão de água e a queda líquida
Rendimento das turbinas
Eficiente;
Considerada uma forma de geração de energia limpa;
Fonte renovável;
Pode reduzir os riscos de inundação: controle do nível dos rios a jusante; (Três Gargantas)
Pode ajudar na navegação de embarcações (Três Gargantas)
Barata: investimento inicial alto, mas a médio e longo prazo é uma energia barata.
Vantagens
Desvantagens: Impactos Sociais
 Deslocamento de populações
 Destruição de áreas de subsistência
 Construção de novas cidades
Danos ao patrimônio histórico e cultural
Efeitos sociais intangíveis da relocação indiscriminada de grandes populações, especialmente agrupamentos indígenas, quilombolas ou comunidades tradicionais
Desvantagens: Impactos Ambientais
Destruição do meio ambiente e da biodiversidade em áreas submersas.
Emissão de gás metano - aquecimento global.
Mudanças da fauna e flora ribeirinha.
Alterações no microclima do entorno das barragens 
Via natural da ictiofauna e embarcações interrompidas.
Desvantagens: Impactos Ambientais
Emissão de gás metano:
A liberação de metano (CH4) ocorre pela decomposição da matéria orgânica presente no fundo do reservatório. 
A medida em que a coluna d’água aumenta, a concentração de metano (CH4) também aumenta. 
Quando a água atinge as turbinas da usina, a diferença na pressão causa a liberação do metano para a atmosfera. 
O metano também é liberado no percurso da água pelo vertedouro da usina, quando, além da mudança de pressão e temperatura, a água é pulverizada em gotas.
O Licenciamento Ambiental é extremamente importante para esse tipo de atividade, buscando prevenir e mitigar os riscos a ela relacionados.
É conduzido pelo Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis (IBAMA). 
Licenças necessárias:
Licença Prévia (LP) 
Licença de Instalação (LI)
Licença de Operação (LO)
Licenciamento ambiental
Licença Prévia (LP)
Análise e deferimento do Estudo de Impacto Ambiental (EIA) do projeto. Normalmente com condicionantes que visam à prevenção, mitigação ou compensação dos impactos previstos no EIA, como por exemplo:
Qualidade da água 
Impactos sobre fauna e a flora
Saneamento 
Impactos na população local
Compensação financeira 
Recuperação de áreas degradadas
Monitoramento de planos e programas socioambientais
Licenciamento ambiental
Licença de Instalação (LI)
concedida por etapas, ao longo da construção da usina.
Licença de Operação (LO)
autoriza o enchimento do reservatório e o início da geração;
Para concedê-la, o IBAMA verificará se as proposições do EIA e as condicionantes das licenças anteriores foram atendidas na forma e nos prazos previstos.
Licenciamento ambiental