Geração de energia hidráulica

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Geração de energia hidráulica
Prof. Felipe Laure Miranda, Profª. Isabela Oliveira Guimarães
Descrição
Você conhecerá a geração de energia com enfoque na geração
hidráulica a partir de centrais hidroelétricas, como base para o
conhecimento dos sistemas elétricos de potência.
Propósito
Compreender os aspectos construtivos e de funcionamento de centrais
hidroelétricas é parte fundamental no conhecimento dos sistemas
elétricos de potência. Os conceitos básicos a respeito da geração
hidráulica serão abordados na discussão sobre a viabilidade para
implantação de usinas de geração hidroelétrica, bem como seus tipos
construtivos e o cálculo da potência entregue em função das
características das turbinas utilizadas.
Preparação
Antes de iniciar o conteúdo, tenha em mãos papel, caneta para
anotações e, se possível, uma calculadora para facilitar seus cálculos na
solução das equações relacionadas ao cálculo de potência em centrais
hidráulicas.
Objetivos
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Módulo 1
Conceitos sobre geração hidráulica de
energia
Reconhecer os conceitos fundamentais em energia hidráulica.
Módulo 2
Implantação de usina hidrelétrica
Analisar a viabilidade para implantação de uma usina hidrelétrica.
Módulo 3
Tipos de usinas e equipamentos
eletromecânicos
Identificar os tipos de usinas hidrelétricas e os tipos de turbinas
hidráulicas com foco na potência fornecida no processo de geração.
Introdução
Neste vídeo, serão apresentados os conceitos fundamentais em
energia hidráulica, a análise de viabilidade para implantação de
uma usina hidrelétrica, os tipos de usinas e seus tipos de
turbinas.

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1 - Conceitos sobre geração hidráulica de energia
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os conceitos fundamentais em energia
hidráulica.
Principais conceitos de geração
hidráulica
Neste vídeo, serão abordados aspectos históricos referentes à geração
de energia hidráulica, além dos aspectos do potencial hidráulico no país
e os principais componentes de uma usina.
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Aspectos históricos
Neste vídeo, serão apresentados os elementos históricos relacionados à
geração hidráulica de energia da antiguidade aos dias atuais.
A utilização da energia proveniente da água não é um feito recente da
humanidade. Desde a Antiguidade, moinhos e rodas d’água são
utilizados para gerar força em atividades que seriam pouco eficientes a
partir de mãos humanas. As rodas d’água, como na imagem a seguir,
eram utilizadas com a finalidade de gerar energia mecânica convertida
em energia cinética ao bombeamento de água para irrigação e moagem
de grãos.
Roda d´água – primeiras aplicações de energia hidráulica.
No entanto, somente em meados do século XIX foi construída a primeira
usina de geração de energia elétrica a partir da força da água. As
primeiras usinas de geração de energia, denominadas hidrelétricas,
eram de pequeno porte e aproveitavam pequenas quedas d’água
próximas a centros urbanos. A tecnologia da época era um fator
limitante, tanto para o porte das usinas como para a capacidade de
transmissão da energia gerada.
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Dessa forma, o potencial hidrelétrico no Brasil já é difundido há mais de
um século e, a partir de grandes análises de viabilidade, como do
CANAMBRA, que ficou nacionalmente conhecida para identificar o
consórcio de consultores canadenses, norte-americanos e brasileiros
responsáveis pelos estudos de investigação do potencial hidrelétrico do
centro-sul brasileiro. Já na década de 1960, o potencial de geração
hidrelétrica no Brasil era amplo, vejamos:
 No Brasil, a primeira usina hidrelétrica é de 1833 e
foi instalada na cidade de Diamantina, em Minas
Gerais, e tinha a finalidade de movimentar bombas
de desmonte hidráulico. Uma linha de transmissão
de aproximadamente 2 km era utilizada para levar a
energia gerada até as máquinas.
 Já a primeira usina hidrelétrica brasileira para uso
público, denominada Usina de Marmelos, foi
construída também em Minas Gerais, na cidade de
Juiz de Fora. Para a época, 1889, era considerada
uma usina de grande porte, com capacidade de 625
KW de potência instalada. Sua energia produzida
era utilizada em uma fábrica de tecidos e para
iluminação pública da cidade.
 Em 1913, o potencial hidráulico da Bacia do Rio São
Francisco começou a ser aproveitado, a partir da
construção da usina de Anjiquinho, nas cachoeiras
de Paulo Afonso, entre os estados de Alagoas e
Bahia.
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Bacia/Usina
Número
de
usinas
Energia
firme
Potência
instalada
MWmédio(2) MW(1)
Alto Rio
Grande
7 1.838 3.675
Baixo Rio
Grande
3 2.932 5.865
Bacia do
Paranaíba
12 3.536 7.070
Bacia do
Tibagi
8 990 1.980
Bacia do Rio
Doce
10 1.050 2.100
Paraná(3) 2 4.406 8.810
Total(4) 42 14.752 29.500
Tabela: Potencial hidrelétrico no centro sul do Brasil (década de 1960).
Brasil, 2007, p. 68.
Nos dias de hoje, boa parte desse potencial já é aproveitado. Se
considerarmos apenas usinas com capacidade superior a 1.000 MW,
temos 10 usinas com mais de 17.000 MW instaladas, sendo:
Rio Grande
Marimbondo (1.440 MW), Água Vermelha (1.396 MW), Furnas
(1.270 MW) e Estreito (1.050 MW).
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Rio Paranaíba
Itumbiara (2.124 MW), São Simão (1.710 MW) e Emborcação
(1.192 MW).
Rio Paraná
Ilha Solteira (3.444 MW), Porto Primavera (1.980 MW) e Jupiá
(1.551 MW).
Na região Sul, foram ainda identificados importantes potenciais, de mais
de 23.000 MW, que merecem destaque:
Rio Iguaçu
Foz do Areia (1.676 MW), Salto Santiago (1.420 MW), Salto Segredo
(1.260 MW), Salto Caxias (1.240 MW) e Salto Osório (1.078 MW).
Bacia do Rio Uruguai
Ita (1.450 MW), Machadinho (1.140 MW) e Barra Grande (690 MW).
Potencial hidráulico
Neste vídeo, vamos conferir os conceitos relacionados ao potencial
hidráulico de geração no mundo e no Brasil.
Estima-se, teoricamente, a energia hidráulica disponível no mundo a
partir de um cálculo direto da energia potencial, considerando a massa
de precipitação média anual do planeta menos a evaporação média e a
altura média da superfície terrestre.
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O produto desses fatores pela aceleração da gravidade permite estimar
que, globalmente, tenhamos em torno de 200 mil TWh de energia
disponível por ano.
Obviamente que dessa estimativa nem toda energia disponível é
aproveitada, já que grande parte das precipitações ocorrem em regiões
inacessíveis do planeta e grande parte dessa disponibilidade se evapora
antes mesmo de poder ser aproveitada.
Saiba mais
De acordo com um estudo do World Energy Council, (2020), estima-se
que 20% desse valor é realmente aproveitado para geração de energia.
O Brasil está entre o grupo de países com maior potencial no mundo
para produção de eletricidade a partir de usinas hidrelétricas. Segundo a
Aneel, essas usinas já corresponderam a cerca de 75% de toda a
potência instalada no país, gerando 93% de toda a energia elétrica
requerida pelo Sistema Interligado Nacional (SIN). A imagem a seguir
mostra o Brasil na terceira posição em ranking mundial de capacidade
hidrelétrica no mundo. Veja:
Principais potenciais hidrelétricos no mundo.
A grande importância de geraçãohidrelétrica no Brasil é baseada em
uma opção estratégica de caráter histórico adotada nos anos 1950
como alternativa para atendimento à demanda futura, mesmo com a
maior competitividade que apresentavam os derivados do petróleo
naquela época como fonte primária de energia. No entanto, apenas 30%
desse potencial nacional foi efetivamente explorado, de um total de
cerca de 377 TWh (sendo 340 TWh de usinas nacionais e o restante de
usinas importadas – basicamente do Paraguai).
Saiba mais
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Estima-se que, com um crescimento do consumo de energia projetado
em 4,2% ao ano até 2030, o Brasil deva atingir uma demanda de cerca
de 1,24 TWh.
A imagem a seguir ilustra a distribuição do potencial hidráulico por
região do país, considerando o grande território brasileiro e seus
regimes fluviais. Veja:
Distribuição geográfica do potencial hidrelétrico no Brasil.
De um total de 261 GW, 32% correspondem a um potencial pouco
conhecido, dito estimado, sendo 43% localizados na região Norte. De
acordo com o Plano Decenal de Expansão de Energia Elétrica realizado
pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), em 2005, o Brasil possuía
uma capacidade instalada em usinas hidrelétricas de 70,96 MW,
distribuídos entre grandes centrais hidrelétricas (69,63 MW) e pequenas
centrais hidrelétricas (PCHs) (1,33 MW).
Comentário
Outra característica importante está relacionada à forte interligação
entre os subsistemas regionais, o que torna o sistema brasileiro único
no mundo por sua extensão e complexidade dos sistemas de
transmissão.
Esses sistemas permitem aproveitar as diversidades entre os
subsistemas de geração, como carga e perfil de consumo, além de
permitir a intercambialidade de energia entre regiões do país.
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Podemos dizer, portanto, que a capacidade energética brasileira é
aumentada em virtude das diversas possibilidades de transferência de
energia oferecidas pelos sistemas de transmissão.
Componentes básicos de uma usina
hidrelétrica
Neste vídeo, vamos conferir os conceitos relacionados aos
componentes básicos na construção de uma usina hidrelétrica, a saber:
barragem e casa de força.
Nas usinas hidrelétricas, a energia é produzida a partir do
aproveitamento do potencial hidráulico em um curso d’água, que
combina a vazão e quantidade de água disponíveis em um período de
tempo. Essa água é disponibilizada a partir de desníveis que podem ser
naturais ou construídos a partir de barragens.
Uma usina hidrelétrica é composta basicamente de:
Barragem.
Sistemas de captação e adução de água.
Casa de força.
Vertedouros.
Todas essas partes se juntam em um grande empreendimento
projetado a partir da união de diversos conhecimentos e engenharia.
Vamos ver com mais detalhes cada uma dessas partes.
Barragem
É uma construção arquitetônica utilizada para interromper o curso
normal do rio, criando lagos artificiais ou reservatórios. A função das
barragens é permitir a formação de quedas d’água e garantir a energia
potencial para as turbinas. A imagem a seguir ilustra arranjos típicos de
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barragens em hidrelétricas de acordo com o Manual de Inventário de
Bacias Hidrográficas. Também são ilustrados arranjos em vale estreito,
medianamente encaixado e aberto.
Solução típica de arranjo em vale estreito
Exemplo: Rio Doce, em Minas Gerais.
Solução típica de arranjo em vale medianamente
encaixado
Exemplo: Foz do Areia, no Paraná.
Solução típica de arranjo em vale aberto
Exemplo: Tucuruí, no Pará.
Naturalmente, para uma mesma queda, quanto mais aberto é o vale,
maior tende a ser o custo da barragem, pelos maiores volumes de
material envolvido.
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Já a imagem adiante ilustra seções típicas de tipos de barragens. No
desenho, o lago é formado à esquerda do esquema representado. No
parque hidrelétrico brasileiro, a Usina de Salto Osório e de Foz do Areia,
ambas no rio Iguaçu, são exemplares, respectivamente, de barragem de
terra com núcleo de argila e de enrocamento com face de concreto.
Seções típicas de barragem para aproveitamento hidrelétrico.
A construção de barragens resulta em grandes impactos ambientais,
além do deslocamento de populações que vivem ao redor das bacias
hidrográficas utilizadas. A resistência a esse tipo de aproveitamento
vem crescendo ao longo do tempo, ocasionando, atualmente, fortes
reações contrárias e importante mobilização social organizada, como o
Movimento de Atingidos por Barragens (MAB), que afirma que as
hidrelétricas já teriam deslocado mais de um milhão de pessoas no
Brasil.
Casa de força
A água coletada dos reservatórios formado pelas barragens é
direcionada à casa de força através de túneis.
Atenção!
É na casa de força que são abrigadas as turbinas, responsáveis por
converter a energia cinética da vazão de água em energia mecânica, que
fornecerá movimento aos geradores elétricos.
A água conduzida às turbinas faz com que o eixo dos geradores gire ao
mesmo tempo, realizando a transformação do potencial hidráulico em
energia elétrica. Depois de passar pela turbina, a água é restituída ao
leito natural do rio, através dos canais de fuga.
Entre os tipos de casa de força, no Brasil, predomina-se a do tipo
abrigada, em que todo o conjunto turbina-gerador e equipamentos
acessórios são instalados dentro de uma estrutura. Um exemplo deste
tipo encontra-se na usina de Serra da Mesa, no Tocantins. A imagem a
seguir ilustra a representação esquemática de três tipos comuns de
casa de força:
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Seções típicas de casa de força.
Os tipos de turbina utilizados nas casas de força serão ainda detalhados
ao longo deste conteúdo.
Vertedouro
É outra parte construtiva importante de uma usina hidrelétrica. Sua
função é permitir o extravasamento de volumes de água que não podem
permanecer ou não são necessários nos reservatórios. Sua finalidade,
de modo geral, é “descarregar” os reservatórios de modo a manter o
nível de água em condições normais e aceitáveis de operação. A
imagem ilustra os vertedouros em operação na Usina de Três Gargantas,
na China.
Vertedouros da usina hidrelétrica de Três Gargantas, China.
Os vertedouros podem ser classificados como de fundo ou de
superfície (sendo estes os mais comuns).
Vertedouros de fundo somente são utilizados no caso
de ser requerida descarga a jusante, em situações que
não possam ser atendidas por vertedouro de
superfície.
Os vertedouros de superfície podem ser do tipo livre ou controlados por
comportas. A escolha do tipo de vertedouro e da sua localização
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depende, naturalmente, da concepção do arranjo geral, do tipo de desvio
e das características geológicas do local.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
O início da utilização do potencial hidráulico para geração de
energia é datado no século XIX. No Brasil, as primeiras usinas
hidrelétricas eram basicamente utilizadas para fornecer energia a
indústrias locais e iluminação pública. De acordo com o contexto
histórico brasileiro de geração hidrelétrica de energia, as primeiras
usinas foram construídas em
Parabéns! A alternativa D está correta.
As primeiras usinas no Brasil foram construídas nas cidades de
Diamantina e Juiz de Fora, respectivamente.
Questão 2A Três Marias e Diamantina, ambas em Minas Gerais.
B Foz do Iguaçu, no Paraná.
C Paulo Afonso, na Bahia.
D Diamantina e Juiz de Fora, ambas em Minas Gerais.
E Marimbondo e Três Marias, ambas em Minas Gerais.
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As usinas hidrelétricas são grandes maravilhas da engenharia e
arquitetura, capazes de converter a energia proveniente das águas
em energia elétrica. Por serem, na maioria das vezes, gigantescas
estruturas, compreendem diversas partes. Sobre seus aspectos
construtivos, pode-se dizer que uma usina hidrelétrica é
basicamente composta por
Parabéns! A alternativa B está correta.
Basicamente, as principais partes construtivas de uma usina
hidrelétrica são a barragem, necessária para formação da queda
d’água; a casa de força, que contém as turbinas e geradores; e o
vertedouro, responsável por manter o nível de água do reservatório
em condições normais de operação.
A represa, geradores e reservatório.
B barragem, casa de força e vertedouro.
C reservatório, casa de força e transformadores.
D casa de força, geradores e barragem.
E barragem, reservatório e vertedouro.
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2 - Implantação de usina hidrelétrica
Ao �nal deste módulo, você será capaz de analisar a viabilidade para implantação de uma
usina hidrelétrica.
Considerações sobre viabilidade de
uma usina hidrelétrica
Neste vídeo, serão abordados os conceitos relacionados à viabilidade de
uma usina hidrelétrica: curva de permanência; fluviograma e
transposição de vazões.
Estudos hidrológicos
Neste vídeo, serão abordados os conceitos básicos dos estudos
hidrológicos como curva de permanência, fluviograma e transposição de
vazões.
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A construção de uma usina hidrelétrica deve passar por uma série de
avaliações e estudos para que seja considerada sua viabilidade.
Os estudos energéticos são necessários para avaliar
as condições relacionadas à hidrologia e envolvem um
tratamento estatístico de dados coletados em um
período base. Evidentemente, esses dados estatísticos
devem conter um número grande de amostras,
considerando a periodicidade dos eventos ao longo do
tempo.
Para a estimativa da vazão de projeto, ou seja, a vazão que será
efetivamente turbinada pela usina, é necessário um amplo estudo do
curso d’água, no qual será implantada a hidrelétrica.
A viabilidade de uma usina deve considerar o comportamento do rio ao
longo de vários anos, já que, com o tempo, mudanças significativas
podem ser observadas em seu curso. A determinação dessa vazão
considera diversos fatores como a área de drenagem do local, as
condições climáticas existentes, a topografia do terreno e as
características geológicas da bacia hidrográfica.
Comentário
O curso de um rio pode mudar bastante ao longo dos anos, de modo,
que para se considerar a viabilidade de implantação de uma usina
hidrelétrica, deve-se avaliar o histórico de vazão de pelo menos setenta
anos, levando em conta seus dados estatísticos e simulações de
possíveis vazões para o melhor aproveitamento hidráulico.
Os dados estatísticos são coletados a partir de postos fluviométricos.
No Brasil, temos em torno de 4000 postos deste tipo em operação e
suas informações são enviadas diretamente à Agência Nacional de
Águas (ANA).
Um posto fluviométrico consiste em um sistema
automatizado instalado no curso d’água, onde é
possível medir a vazão instantânea do aproveitamento
considerando apenas a altura do nível da água.
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As medições diretas de vazão e suas respectivas alturas de lâmina
d’água são plotadas em gráficos h(m) x Q (m³/s), que resultam na curva-
chave do posto fluviométrico. Dessa forma, o melhor local para
instalação de um posto fluviométrico deve compreender um trecho reto
do rio e que tenha uma seção transversal com a calha mais estável
possível.
A imagem a seguir ilustra, como exemplo, os gráficos de batimetria e
curva-chave de um posto fluviométrico situado no Rio Sapucaí, ao sul de
Minas Gerais.
Posto fluviométrico – (a) batimetria (b) curva-chave.
É possível também obter os dados hidrológicos de vazão a partir de um
modelo chuva-vazão. A partir dos registros de precipitação medidos por
estações pluviométricas, esta técnica é indicada em regiões com
limitação dos registros de vazão ou até mesmo inexistentes.
As ferramentas para tratamento de dados hidrológicos são
apresentadas a seguir:
Curva de permanência
Também chamada de duração de vazão ou frequência acumulada de
vazões, fornece a probabilidade de determinada vazão ser igualada ou
até mesmo superada. A partir da análise dessa curva, é possível
determinar os valores de vazão média, mínima e máxima dos dados
considerados. A vazão firme Q95 refere-se a uma vazão constante em
95% do tempo e, na maioria das vezes, é superior à vazão média mensal
mínima.
Comentário
A curva de permanência ilustra de forma clara os dados históricos de
vazão de um curso d’água. Para elaboração dessa curva, pode-se
considerar os dados de vazões médias diárias, mensais ou anuais,
sendo as mensais mais utilizadas. Inicialmente, obtém-se um diagrama
de frequências da série e sua distribuição probabilística discreta,
separando as vazões em classes de histogramas. A integração desses
dados fornece a probabilidade acumulada representando a curva de
duração.
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A imagem a seguir ilustra as curvas de permanência diária, mensal e
anual para uma mesma série de dados.
Curvas de permanência.
Fluviograma
É outro método estatístico utilizado em estudos hidrológicos de
viabilidade para implantação de usinas hidrelétricas.
O fluviograma é um gráfico que representa as vazões
para determinada seção fluvial em função do tempo.
É o gráfico de melhor representação visual do comportamento de um
rio, que pode ser feita a partir de vazões instantâneas, médias diárias,
semanais ou anuais. A imagem a seguir ilustra o fluviograma do Rio
Paracatu, afluente do Rio São Francisco, entre os anos de 1966 a 1975.
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Fluviograma.
Transposição de vazões
Em regiões onde não há um número significativo de dados de vazão de
sua bacia hidrográfica, é possível utilizar o método de transposição de
vazões. Este método permite gerar dados históricos de vazão a partir de
informações disponíveis para bacias próximas ou vizinhas.
Exemplo
Para que a transposição seja executada sem erros significativos, é
necessário que as duas bacias hidrográficas possuam comportamentos
hidrológicos semelhantes, ou seja, áreas de drenagem, relevo, solo e
cobertura vegetal.
Além disso, a bacia hidrográfica semelhante deve estar na mesma faixa
de paralelos terrestre da bacia em estudo e a distância entre elas não
deve ser maior que 100 km. Recomenda-se ainda que o número de
áreas de drenagem não seja superior a cinco. A vazão específica pode
ser determinada pela Eq. 1:
Eq. 1
Em que:
 vazão específica 
 vazão (m³/s).
 área de drenagem na estação semelhante 
 vazão na estação semelhante 
A vazão do local de interesse é então calculada segundo a Eq. 2:
Eq. 2
Em que:
 vazão de interesse 
 área de drenagem no local de interesse 
q =
Q
Ad
q = (m3/s ⋅ Km2).
Q =
Ad = (Km2).
Qs = (m3/s).
Qi = (Ad1/Ads) × Qs
Qi = (m3/s).
Ad1 = (Km2).
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 área de drenagem na estação semelhante 
 vazão na estação semelhante 
Estudos energéticos
Neste vídeo, vamos falar sobre o cálculo da potência disponível em um
aproveitamento hidrelétrico e sobre como fazer a análise de acordo com
o fator de capacidade da central hidrelétrica.
A potência disponível em um aproveitamento hidrelétrico é resultante da
energia potencial da água, expressa conforme a Eq. 3:
Eq. 3
Em que:
 potência elétrica gerada .
 rendimento total do aproveitamento.
 massa específica da água .
.
 aceleração da gravidade .
 queda líquida .
Uma central hidrelétrica poderá, ao longo de um período analisado, gerar
energia inferior à sua capacidade quando as vazões em seu curso forem
menores que a máxima turbinada. A relação entre a potência gerada e a
potência máxima é denominada fator de capacidade (FC), conforme a
Eq. 4:
Eq. 4
Ads = (Km2).
Qs = (m3/s).
P = ηt × ρ × Q × g × H
P = (Kw)
ηt =
ρ = (Kg/m3)
Q = vaza ̃o (m3/s)
g = (m/s2)
H = (m)
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Em que:
 fator de capacidade.
 potência média gerada .
 potência instalada .
Um fator de capacidade baixo indica que foi determinada uma vazão de
projeto muito grande. Nessa situação, a central hidrelétrica opera
frequentemente com potência reduzida. Como o custo de equipamentos
eletromecânicos é bastante alto, o retorno de investimento levará mais
tempo.
Por outro lado, um fator de capacidade alto demonstra perda de energia,
proporcional à vazão vertida durante o período úmido, indicando
pequena vazão de projeto.
Licenciamento ambiental
Neste vídeo, serão abordados aspectos legislativos e os principais
impactos ambientais causados pelas hidrelétricas.
A geração de energia elétrica a partir da água é considerada uma forma
limpa de geração, pois não há produção de resíduos ou emissão de
poluentes durante a produção.
Comentário
A geração de energia elétrica a partir da água permite o
reaproveitamento da água a jusante em outras usinas ao longo do curso
do mesmo rio, enquadrando-se no perfil de desenvolvimento
sustentável.
No entanto, o processo de construção das usinas hidrelétricas pode
trazer grandes impactos no local, que vão desde a desestruturação de
FC =
Pm
Pi
× 100
FC =
Pm = (Kw)
Pi = (Kw)
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comunidades ao entorno, bem como impactos ambientais decorrentes
dos represamentos de água, o que faz com que essa modalidade de
geração possa ser considerada, para muitos autores, um retrocesso
insustentável.
A seguir, veremos as principais regulamentações no Brasil a respeito da
implantação da geração hidrelétrica, bem como os principais impactos
no meio ambiente.
Legislação ambiental
Devido à complexidade e importância dos impactos ambientas na
sociedade de curto a longo prazo, a regulamentação de práticas
relacionadas ao uso dos recursos naturais tem sido tratada em escala
global há várias décadas. Dessa forma, são exigidas medidas para que a
sociedade possa usufruir desses recursos de maneira sustentável,
respeitando as leis regulamentadoras referentes a cada setor. Conheça
um breve histórico:
 1927
Foram criadas, no Brasil, as primeiras legislações
ambientais, pelo governo do Estado de São Paulo,
para regulamentar a construção de escadas de
peixes em represas para a subida de salmões.
 1934
Foi criado, em âmbito nacional, o Código de Águas
que incluía preceitos de proteção à migração
produtiva de peixes nos rios do país.
 1938
Foi criado o Código de Pesca, que também tratava
da proteção à migração produtiva de peixes.
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Entre as normas gerais estabelecidas pelo Conama, são obrigatórias:
Licença prévia (LP)
Comprova a exequibilidade ambiental do procedimento. Sua solicitação
é feita na fase inicial de projeto, primeira e mais importante etapa para
construção de um empreendimento de geração de energia.
 1972
Foi criada a Secretaria Especial do Meio Ambiente
da Presidência da República. Somente nos anos
1970 observou-se efetivamente um interesse do
Brasil em políticas mais contundentes ao bem-estar
ambiental.
 1981
Foi criada a Lei nº 6.938, de 1981, denominada
Política Nacional de Meio Ambiente, estabeleceu,
como meio de prevenção e planejamento
ambiental, a obrigatoriedade de uma avaliação
ambiental e licenciamento ambiental para
empreendimentos julgados efetivamente poluidores
ou capazes de gerar degradação ambiental.
 1986
O Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama)
regulamentou o processo de licenciamento
ambiental, que estabeleceu a necessidade de
realização de um estudo de impacto ambiental
(EIA) e um relatório de impacto ambiental (RIMA)
para permitir a construção de qualquer usina de
geração de energia com potência acima de 10 MW.
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Licença de instalação (LI)
Autoriza o início da construção, conforme as especificações dos
projetos aprovados, acrescentando medidas de controle ambiental e
quaisquer outros condicionantes.
Licença de operação (LO)
Aprova a operação do empreendimento, após comprovação de que
foram seguidas todas as orientações das licenças anteriores.
Na fase de LP é quando se encontram as maiores dificuldades
relacionadas ao licenciamento ambiental, consequentes da falta de
planejamento governamental e entendimento sobre responsabilidades e
competências.
Principais impactos ambientais
Um impacto ambiental é definido como uma modificação brusca
causada ao meio ambiente, uma intervenção humana em seu espaço,
podendo ser:
Positiva
Quando pode ser estimulada.
Negativa
Quando deve ser evitada.
No que diz respeito especificamente aos impactos ambientais
decorrentes da construção de centrais hidrelétricas, pode-se tratar
essencialmente dos impactos gerados pela formação dos reservatórios
(construção de barragens), da vazão reduzida no trecho e do desvio do
rio. Vejamos com mais detalhes a seguir:
Neste caso, a implantação de barragens para formação de
reservatórios altera os processos químicos e biológicos que
antes ocorriam ao longo do rio. A qualidade da água é afetada e
é alterada sua capacidade de diluição. Com a diminuição da
velocidade de escoamento, reduz-se a capacidade de
Formação do reservatório 
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reoxigenação, além de favorecer a proliferação de algas, como
na imagem.
Proliferação de algas.
Neste caso, em que a casa de força está a jusante e distante do
barramento, o desnível topográfico para aproveitamento da
energia potencial gera trechos de vazão reduzida, como ilustrado
a seguir.
Trecho de vazão reduzida.
Neste caso, em localidades com vales abertos e topologia suave,
são implantados canais para desvio de rios e melhor
aproveitamento da energia potencial utilizada na geração de
energia.
Redução do trecho de vazão 
Desvio do rio 
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Rio com desvio.
De modo geral, os principais impactos ambientais relacionados à
geração hidrelétrica de energia são decorrentes da construção das
usinas e estruturas permanentes (barragens, reservatórios). Além do
impacto nos recursos naturais, comunidades ao entorno são fortemente
afetadas em virtude das áreas de inundação, interrompendo ciclos
culturais e necessidades individuais dos que vivem e dependem dos
recursos locais.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão1
A construção de uma usina hidrelétrica deve passar por uma série
de estudos de viabilidade, de modo a verificar a necessidade e
possibilidade de sua implantação. Por se tratar de um
empreendimento que utiliza basicamente a energia potencial
advinda dos cursos d’água, pode-se afirmar que
A
os estudos hidrológicos são importantes para
definir a quantidade ideal de equipamentos
eletromecânicos que irão compor a casa de força
da usina hidrelétrica.
B
o fluviograma representa graficamente o ciclo
periódico de chuvas no local em estudo, permitindo
conhecer as características de vazão/evaporação
da usina a ser instalada.
C
a curva de permanência é parte dos dados
hidrológicos históricos que permitem avaliar a
vazão do curso d’água em médias que podem ser
diárias, mensais ou anuais.
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Parabéns! A alternativa C está correta.
A curva de permanência, também conhecida por duração de vazão
ou frequência acumulada de vazões, é parte dos estudos
hidrológicos que permitem estimar a vazão no local desejado a
partir de dados estatísticos históricos, visto que as características
de um rio mudam constantemente ao longo dos anos.
Questão 2
Além dos estudos hidrológicos para verificar a possibilidade de
implantação de uma usina hidrelétrica, é necessário conhecer a
capacidade de potência a ser instalada para aproveitamento em
geração de eletricidade. Um dos conceitos conhecidos nos estudos
energéticos é o fator de capacidade, que relaciona
D
um posto fluviométrico consiste em unidades
instaladas de medição da altura do nível dos
reservatórios.
E
não há estudos que permitem a medição de vazões
em cursos d’água sem um conjunto histórico
específico do local em que se deseja a construção
da usina hidrelétrica.
A
a vazão média mensal pela vazão máxima medida
no curso d’água.
B
a potência média gerada na usina e a potência
instalada.
C
a capacidade de conversão de energia hidráulica em
energia elétrica.
D
a relação de vazão no período seco e o período
chuvoso.
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Parabéns! A alternativa B está correta.
Uma central hidrelétrica poderá, ao longo de um período analisado,
gerar energia inferior à sua capacidade quando as vazões em seu
curso forem menores que a máxima turbinada. A relação entre a
potência gerada e a potência máxima é denominada fator de
capacidade.
3 - Tipos de usinas e equipamentos eletromecânicos
Ao �nal deste módulo, você será capaz de identi�car os tipos de usinas hidrelétricas e os tipos
de turbinas hidráulicas com foco na potência fornecida no processo de geração.
Tipos de usinas e equipamentos
eletromecânicos
Neste vídeo, serão abordados os principais arranjos hidráulicos, bem
como as turbinas utilizadas e os componentes eletromecânicos.
E a potência máxima gerada na usina e a potência
instalada.
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Arranjos de usinas hidrelétricas
Neste vídeo, serão apresentados os aspectos relacionados aos
principais arranjos de usinas hidrelétricas.
As usinas hidrelétricas podem ser classificadas em função de diversas
características, como quanto à sua potência, sua queda, seu tipo de
captação de água e quanto à forma de utilizar suas vazões naturais.
Quanto à sua potência
Em função da potência as usinas hidreletricas, podem ser classificadas:
 Microcentrais
Fornecem eletricidade a comunidades rurais que
geralmente são muito remotas para serem
abastecidas economicamente pela rede elétrica. O
projeto de engenharia para microusinas
hidrelétricas tende a ser simples e padronizado, de
modo a facilitar a operação e manutenção.
P ≤ 100 KW
 Minicentrais
F i id d i i l d
100 KW ≤ P ≤ 1000 KW
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O projeto de Lei n° 13.97/2015 alterou, entre outros assuntos, a
regulação de autorização das PCHs. A principal alteração foi aumentar a
capacidade mínima dos projetos de 1 MW para 3 MW. De acordo com a
nova legislação, o aproveitamento de potencial hidráulico destinado à
produção independente ou autoprodução de energia passou a ser
superior a 3 MW e inferior a 30 MW.
Quanto à sua queda
Fornecem energia a cidades rurais isoladas ou
podem ser desenvolvidas para fornecer energia à
rede. São construídas para serem economicamente
viáveis e garantirem retorno de investimento em
caso de venda de energia.
 Pequenas centrais e médias centrais
 e
São projetadas no formato run-of-river (R-o-R), que
usam um açude para desviar a água para o
consumo, mas que não é armazenada. As PCHs
normalmente possuem menores impactos
ambientais do que projetos com reservatórios e
represas.
1 MW ≤ P ≤ 10 MW
10 MW ≤ P ≤ 100 MW
 Grandes centrais
Geralmente necessitam da construção de
barragens e criação de reservatórios. Alguns
reservatórios são utilizados apenas para suprir
cargas de pico diárias ou semanais. Já os grandes
reservatórios são capazes de armazenar volumes
altos de água para suprir os períodos de escassez
de chuvas, por exemplo.
P > 100 MW
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Em função da queda, as usinas hidreletricas podem ser classificadas
em:

Centrais de baixíssima queda
 metros

Centrais de baixa queda
 metros metros

Centrais de média queda
 metros metros

Centrais de alta queda
 metros
Quanto à forma de captação da água
Em função da forma de captação da água, as usinas hidreletricas
podem ser definidas como centrais em desvio e em derivação.
Pode-se dizer que as centrais em desvio, com quedas médias e altas,
são as que apresentam o maior número de componentes. Elas se
caracterizam pelo fato de a parcela principal do desnível utilizado
decorrer da própria declividade do rio. A captação é feita em um ponto
de cota bem mais elevada do que a da restituição, conduzindo-se a água
para a central através de condutos, com superfície livre ou em pressão,
que por motivos econômicos devem ter o menor desenvolvimento
possível, como ilustrado a seguir.
H ≤ 10
10 ≤ H ≤ 50
−50 ≤ H ≤ 250
H ≥ 250
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Central em desvio com condutos em pressão.
Quanto à forma de utilizar as vazões naturais
Em função da forma de utilizar as vazões naturais, as usinas
hidreletricas podem ser classificadas como:
Centrais a �o d’água
Não dispõem de reservatório de água, ou possuem em dimensões
menores que o que deveriam ser. Não são capazes de manter estoque
de energia potencial hidráulica, portanto sua produção é inconstante.
Vejamos as características de uma PCH a fio d’água:
Dispensa estudos de regularização de vazões.
Dispensa estudos de sazonalidade da carga elétrica do consumidor.
Apresenta facilidade relativa aos estudos e à concepção da tomada
d’água.
Possui barragens baixas, cuja função é apenas de desviar a água
para o circuito de adução.
Usar pequenas áreas inundadas nas UH fio d’água resulta em
indenizações reduzidas.
Centrais reversíveis
São aquelas que utilizam turbinas/bombas e normalmente têm
reservatório a montante e outro de menores dimensões a jusante da
casa de força. O armazenamento hidráulico é considerado quando a
entrada de água natural para as represas não é suficiente, assim, a água
é elevada a outro reservatório em períodos de baixa demanda,
produzindo-se energia pelas turbinas em horários de pico.
Ao contrário das usinas termoelétricas, as usinas reversíveis podem
reagir a variações na rede em espaço de tempo maiscurto, produzindo
energia elétrica necessária ou mesmo consumindo qualquer excedente.
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Instalações modernas requerem apenas trinta segundos para iniciar o
funcionamento de bombas ou parada das turbinas. Em caso de falhas
no sistema elétrico, as usinas reversíveis são capazes de restabelecer o
fornecimento de energia à rede sem utilizar fontes externas.
Turbinas hidráulicas
Neste vídeo, serão apresentados os aspectos relacionados aos tipos de
turbinas hidráulicas: Pelton, Francis e Kaplan.
Para geração de energia elétrica a partir do potencial hidráulico, as
usinas hidrelétricas utilizam turbinas hidráulicas que acionam
diretamente os geradores. Os diversos tipos de turbinas hidráulicas são
capazes de atender a vários requisitos operacionais, permitindo assim
projetar arranjos hidrelétricos para todos os tipos de relevo e quedas
d’água.
Três tipos de turbina são utilizados em geração hidrelétrica e sua
escolha leva em conta as condições locais da usina, como altura da
queda d’água em relação ao nível da turbina. São elas:
Turbinas Pelton ou de impulso
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Turbinas Francis ou de reação
Turbinas Kaplan ou de hélice
Todas essas turbinas aproveitam a energia potencial da água
armazenada em reservatórios cujo nível é consideravelmente elevado
em relação ao nível da turbina. Para chegar às turbinas, a água é
conduzida através de tubulações denominadas dutos forçados e
posteriormente descarregada por dutos de sução para o curso natural
do rio.
Vamos conhecer as diferenças entre as turbinas?
Pelton
Turbinas que também são denominadas turbinas de impulso e
geralmente são utilizadas em usinas que possuem alturas de
queda d’água superiores a 250 m. Há, por exemplo, instalações
de usinas na Europa cujas alturas de queda chegam a quase
1.800 m.
Essas turbinas possuem eixo horizontal e o gerador é montado
ao lado da turbina. São consideradas turbinas de ação e operam
com injetor (ou injetores), que dirigem um jato d’água contra as
pás de um rotor, denominado roda Pelton. A imagem ilustra uma
turbina Pelton e um injetor utilizado para direcionar o fluxo de
água.
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A velocidade de giro das turbinas Pelton é regulada pelo fluxo de
água dos injetores através de válvulas de agulha que podem se
deslocar longitudinalmente, variando a abertura do injetor,
semelhante ao bico de uma mangueira de jardim.
No entanto, deve-se destacar que esse sistema de regulagem de
velocidade não pode funcionar com variações bruscas de fluxo
d’água devido à ocorrência do fenômeno conhecido por gole de
aríete. Esse fenômeno consiste em uma onda de pressão viajante
que se desloca ao longo do duto forçado e tem um alto potencial
de causar danos estruturais à turbina. Por esse motivo, outros
meios são também utilizados para não permitir variações súbitas
no fluxo de água dos injetores.
Francis
Turbinas que são também chamadas de turbinas de reação.
Nelas ocorre parte da queda de pressão nos injetores e o restante
na própria turbina. Dessa forma, a água ocupa completamente a
cavidade em que se encontra o rotor, transferindo toda a energia
de pressão quanto a energia cinética às pás do rotor. Como todas
as pás participam desse processo de transferência de energia, as
turbinas Francis apresentam menor diâmetro se comparadas a
uma turbina Pelton equivalente.
A maioria das turbinas Francis em utilização são do tipo fluxo
radial, em que a água sob pressão entra em um condutor em
espiral (caracol) que circunda as pás móveis e flui pelas pás fixas
na direção radial para o interior da turbina. A água então passa
pelo rotor no sentido descendente, exercendo pressão contra as
pás móveis, acionando o rotor da turbina.
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As turbinas de reação podem ser controladas pelas aletas-guia
móveis, conhecidas como distribuidor, onde a água flui antes de
alcançar a turbina. O distribuidor permite que a velocidade da
água seja tangencial antes de alcançar o rotor da turbina,
atingindo sua máxima eficiência. O controle de velocidade é feito
mediante alteração da posição deste distribuidor. As comportas
do distribuidor são defletidas simultaneamente. Como há
necessidade de aplicação de força considerável, normalmente
múltiplos servomotores são necessários.
Kaplan
Turbinas que também são chamadas de turbinas tipo hélice. São
um tipo de turbina de reação, pois utilizam uma combinação de
pressão e velocidade da água para acionar o seu eixo. Entretanto,
diferente das turbinas Francis, turbinas Kaplan utilizam mais a
velocidade do fluxo d’água.
Sua grande vantagem está na possibilidade de ajuste das pás que
promovem um alto rendimento sobre um espectro de alturas de
queda e aberturas do distribuidor. Tanto a abertura do distribuidor
como a posição das pás podem ser ajustadas com a turbina em
funcionamento. Portanto, não há necessidade de interrupção da
operação para mudança de suas características de operação.
As turbinas Kaplan são normalmente utilizadas em usinas cujas
alturas de queda d’água são entre 15 metros a 60 metros.
Comparadas às turbinas Francis, turbinas Kaplan operam em
maiores velocidades para a mesma altura de queda. O ângulo das
pás do rotor é controlado por servomotor hidráulico, instalado no
núcleo do rotor. Normalmente possuem quatro a seis pás. Já a
posição das pás do distribuidor, que controlam o fluxo de água na
entrada da turbina, é ajustada em conjunto com as angulações
das pás do rotor, de modo a assegurar máxima eficiência de
operação.
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Componentes eletromecânicos
Neste vídeo, serão abordados os aspectos relacionados aos
equipamentos eletromecânicos em usinas hidroelétricas, com foco no
gerador e na excitatriz.
As turbinas apresentadas anteriormente são os equipamentos
hidráulicos necessários para permitir a conversão de energia potencial
da água em energia mecânica, necessária para acionamento dos
geradores.
O gerador é o equipamento eletromecânico essencial
para conversão da energia mecânica proveniente das
turbinas em energia elétrica que será disponibilizada
ao sistema.
Além do gerador podem ser considerados equipamentos de grande
importância para esta conversão a excitatriz e o regulador de tensão,
além dos equipamentos que permitem controle e mudança de níveis de
tensão para entregar a energia elétrica gerada para o sistema.
Gerador.
Gerador
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É o equipamento elétrico responsável pela conversão de energia
mecânica em energia elétrica em uma usina hidrelétrica. No Brasil, por
exemplo, praticamente toda a energia hidrelétrica é convertida por
geradores síncronos, que, apesar das importantes evoluções sofridas ao
longo do tempo, conservam-se em seus aspectos fundamentais de
funcionamento.
Os geradores síncronos utilizados nas usinas podem ser de:
Baixa velocidade
São normalmente acionados por um motor ou, no caso de usinas, por
turbinas e se caracterizam por possuir polos salientes, um grande
diâmetro e pequeno comprimento axial.
Alta velocidade
São mais utilizados em usinas termelétricas, possuem pequeno número
de polos e funcionam em maior velocidade de rotação. Também são
denominados turbogeradores.
Os geradores elétricos são especificados em função do seu número de
polos, frequência, potência nominal,tensão nominal e suas formas de
conexão trifásica.
Excitatriz
Um gerador elétrico produz eletricidade graças à interação de um
campo magnético produzido em seu rotor, com os enrolamentos do
estator. O responsável pelo fornecimento da energia necessária para
produção desse campo magnético é o chamado “sistema de excitação”
ou excitatriz.
A tensão do gerador é proporcional à corrente elétrica
proveniente do sistema de excitação, de modo que,
juntamente com a excitatriz, é conveniente a utilização
de equipamentos para regulação de tensão no gerador.
As excitatrizes rotativas podem ser do tipo máquina de corrente
contínua ou do tipo máquina síncrona. As do tipo máquina de corrente
contínua estão atualmente em desuso, porém ainda existem muitas
centrais antigas que as utilizam. Na máquina de corrente contínua, a
tensão gerada aparece nas escovas do comutador, que são uma parte
fixa da máquina.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
As centrais hidráulicas de geração de energia são predominantes
no Brasil e podem ser classificadas em função de suas
características de potência instalada, tipo de captação de água e
quanto à forma de utilização da vazão de água. Considerando a
classificação quanto à sua potência, pode-se afirmar que
A
as microcentrais de geração fornecem potência
para grandes indústrias e possuem potência
instalada de até 50 KW.
B
as grandes centrais hidrelétricas podem ser
construídas sem a necessidade de estudos
relacionados a impactos ambientais, pois sua
grande potência instalada compensa os custos de
realocação de comunidades e alteração de curso
dos rios.
C
as minicentrais hidrelétricas normalmente possuem
capacidade instalada entre 10 KW e 100 KW,
utilizadas para fornecimento de energia para regiões
rurais, distantes dos sistemas de transmissão.
D
as grandes centrais hidrelétricas são construídas
sempre para as mesmas alturas de queda d’água,
diferindo-se apenas em relação às dimensões de
reservatório.
E
as pequenas centrais hidrelétricas, ou PCHs, devem
ter, em projeto, capacidade instalada entre 3 MW e
30 MW.
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Parabéns! A alternativa E está correta.
O projeto de Lei n° 13.97/2015 alterou, entre outros assuntos, a
regulação de autorização das PCHs. A principal alteração foi
aumentar a capacidade mínima dos projetos de 1 MW para 3 MW.
De acordo com a nova legislação, o aproveitamento de potencial
hidráulico destinado à produção independente ou autoprodução de
energia passou a ser superior a 3 MW e inferior a 30 MW.
Questão 2
As turbinas hidráulicas são grandes equipamentos que coletam o
fluxo d’água proveniente dos rios e convertem a energia potencial
em energia mecânica para ser entregue aos geradores elétricos. Em
relação aos tipos de turbinas hidráulicas, é correto afirmar que
A
a turbina do tipo Pelton é também denominada
turbina de hélice e é normalmente utilizada em
quedas d’água inferiores a 300 m.
B
na turbina do tipo Francis, toda queda de pressão
ocorre no interior da turbina e a água ocupa apenas
a região superior do equipamento, o que caracteriza
alto rendimento.
C
a turbina Kaplan possui formato de caracol, de
modo a garantir melhor aproveitamento do fluxo d
´água em seu interior.
D
a velocidade de giro das turbinas Pelton é regulada
pelo fluxo de água dos injetores através de válvulas
denominadas válvulas de agulha.
E
as turbinas Francis possuem hélices, que ajustam
sua posição para que a água ocupe completamente
seu interior.
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Parabéns! A alternativa D está correta.
As turbinas Pelton são conhecidas como turbinas de impulso,
utilizadas em usinas com alturas de queda d’água superiores a 250
m. Sua velocidade é regulada pelo fluxo de água dos injetores por
meio de válvulas de agulha.
Considerações �nais
As usinas de geração hidráulica de energia, também denominadas
hidrelétricas, são amplamente utilizadas no Brasil em virtude de suas
características hidrológicas e riqueza de mananciais, que permitem a
instalação desses empreendimentos. A construção dessas usinas parte
de rigorosos estudos de viabilidade, tanto em relação aos aspectos
hidrológicos quanto aos seus impactos ambientais.
A classificação das usinas hidráulicas é feita em função de suas
características construtivas de aproveitamento do curso d’água, bem
como de sua capacidade instalada. Neste conteúdo, foram
apresentados os principais conceitos relacionados à construção de
centrais hidráulicas, como barragens, casa de força e vertedouro, além
dos equipamentos eletromecânicos necessários para conversão de
energia potencial em energia elétrica: as turbinas hidráulicas e os
geradores elétricos.
Podcast
Ouça agora sobre como surgiram os componentes básicos na
construção de uma usina hidrelétrica, os impactos ambientais e a
legislação aplicável. Confira também os tipos de usinas hidrelétricas e
os tipos de turbinas utilizados.

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pesquise o artigo Considerações sobre a Expansão Hidrelétrica nos
Estudos de Planejamento Energético de Longo Prazo.
Referências
BRASIL. Ministério de Minas e Energia. Plano Nacional de Energia 2030.
Brasília: MME, 2007.
CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA. CEPEL. Sistema de
Inventário Hidroelétrico de Bacias Hidrográficas – SINV 6.0.3. Manual
de Metodologia. Relatório Técnico DP/DEA – 1082/09, 2009.
CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA. CEPEL. Sistema de
Inventário Hidroelétrico de Bacias Hidrográficas – SINV 6.0.3. Manual
de Utilização. Relatório Técnico DP/DEA – 1083/09, 2009.
ELETROBRAS. Manual de Inventário Hidroelétrico de Bacia
Hidrográfica. Publicado em: 1997.
MOURA, A. P. de; MOURA, A. A. F. de; ROCHA, E. P. da. Engenharia de
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Edições da UFC, 2019.
NUNES, C. F. et al. Pequenos aproveitamentos hidroelétricos: soluções
energéticas para a Amazônia. Brasília: MME, 2008.
SOUZA, Z. de.; SANTOS, A. H. M.; BORTONI, E. C. Centrais Hidrelétricas:
implantação e comissionamento. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência,
2009.
19/04/2024, 14:51 Geração de energia hidráulica
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TOLMASQUIM, M. Plano Nacional de energia 2030. Conselho Nacional
de Política Energética-CNPE, v. 1, n. 10, 2007.
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2020.
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19/04/2024, 14:51 Geração de energia hidráulica
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