Aula 2 As usinas hidrelétricas

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<p>Geração de energia elétrica</p><p>Aula 2: As usinas hidrelétricas</p><p>Apresentação</p><p>Abordaremos os tipos de usinas, as partes principais de uma usina hidrelétrica e o dimensionamento da potência gerada.</p><p>Ilustraremos os cálculos da potência instalada de uma usina, apontando que são efetuados por meio de estudos</p><p>hidroenergéticos. Além disso, identi�caremos como a energia hidráulica é convertida em energia mecânica por meio de</p><p>uma turbina hidráulica, e em energia elétrica por meio de um gerador.</p><p>Objetivos</p><p>Classi�car os tipos de usinas hidrelétricas;</p><p>Descrever as partes de uma usina hidrelétrica.</p><p>Determinar a potência gerada por uma turbina hidrelétrica.</p><p>Conhecendo melhor uma usina hidrelétrica</p><p>Nesta aula, conheceremos os tipos, a classi�cação, os</p><p>desa�os de implementação e operação e como dimensionar</p><p>a potência de uma usina.</p><p>Tipos de usinas hidrelétricas</p><p>As usinas hidrelétricas são classi�cadas conforme:</p><p>Uso das vazões naturais;</p><p>Potência;</p><p>Altura de queda;</p><p>Captação de água;</p><p>Função no sistema quanto ao uso das vazões naturais.</p><p>Para esse último item, existem centrais a �o d'água, centrais de acumulação e centrais com armazenamento por</p><p>bombeamento ou com reversão (centrais reversíveis).</p><p> Função no sistema</p><p> Clique no botão acima.</p><p>Quanto às vazões</p><p>Usinas a �o d’água - algumas usinas hidroelétricas são chamadas a �o d’água, ou seja, próximas à superfície, e</p><p>utilizam turbinas que aproveitam a vazão e a velocidade do rio para gerar energia. Essas usinas reduzem as áreas de</p><p>alagamento por formarem reservatórios pequenos ou não formarem reservatórios. A ausência de reservatório diminui</p><p>a capacidade de armazenamento de água e, consequentemente, a capacidade de geração nos períodos de escassez</p><p>de chuva.</p><p>Comentário</p><p>A usina de Itaipu binacional, Brasil - Paraguai com capacidade instalada de 14.000 MW opera a �o d'água.</p><p>Usina com reservatório - este tipo de usina possui reservatório capaz de acumular água dos períodos de cheia para os</p><p>períodos de estiagem. Deve dispor de vazão mínima natural para isso.</p><p>Usina reversível - utilizada a �m de gerar energia para atender os períodos de maior demanda do sistema. Durante as</p><p>horas de menor demanda, a água é bombeada, no canal de fuga (canal de saída de água da usina) para um</p><p>reservatório à montante da usina para novamente ser utilizada para geração. Embora essa operação apresente perdas,</p><p>é utilizada para prover potência suplementar nas horas de maior demanda.</p><p>Quanto à potência</p><p>Quanto à potência gerada (P), as usinas são classi�cadas em:</p><p>As pequenas centrais hidrelétricas (PCH) têm sido incentivadas pelo governo através da ANEEL e possuem tratamento</p><p>diferenciado para obtenção da licença ambiental, que possui requisitos mais simples. A mini usina deve apenas</p><p>comunicar à ANEEL e a micro não deve cumprir nenhum requisito com a ANEEL.</p><p>TIPO POTÊNCIA (P)</p><p>Micro P ≤ 100kW</p><p>Mini 100 P</p><p> Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal</p><p>Quanto à altura de queda,</p><p>São classi�cadas em:</p><p>Quanto à forma de captação, são classi�cadas em:</p><p>Desvio;</p><p>Derivação;</p><p>Leito do rio;</p><p>Barramento;</p><p>Represamento.</p><p>Quanto à função no sistema, são classi�cadas em:</p><p>Operação na base (da curva de carga);</p><p>Operação �utuante;</p><p>Operação na ponta (da curva de carga).</p><p>TIPO ALTURA DE QUEDA</p><p>Baixíssima H 250m</p><p> Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal</p><p>Atividades</p><p>1. Quanto à altura de queda, as usinas são classi�cadas em:</p><p>2. Quanto a potência gerada as usinas são classi�cadas em:</p><p>As características de operação de uma usina hidrelétrica são importantes, pois servem de base para o planejamento da geração e</p><p>da expansão do sistema integrado nacional.</p><p>A operação de uma usina hidrelétrica pode ser limitada pelo múltiplo uso da água como: Navegação, irrigação, suprimento no</p><p>abastecimento de água e recreação. Normalmente, nesses casos, é necessário que o reservatório tenha um volume mínimo, porém</p><p>maior do que a cota mínima do reservatório, que não poderá ser convertido em energia elétrica para garantir o fornecimento de</p><p>água para os demais consumidores.</p><p>As hidrelétricas apresentam incertezas no fornecimento de energia pelo fato das vazões dos rios serem aleatórias e dependerem</p><p>de chuvas, que são incertas quanto à previsão futura.</p><p>Como não é possível prever a quantidade de chuva que ocorrerá nos próximos meses e anos, nos sistemas de potência onde as</p><p>hidrelétricas têm papel importante, esses efeitos aleatórios devem ser estudados com cuidado. Esse estudo baseia-se nas médias</p><p>existentes na tentativa de prever a quantidade de chuva futura.</p><p>Como forma de melhorar a contribuição das centrais hidrelétricas no sistema de potência podemos citar:</p><p>3. Quais são os tipos de turbina utilizados nas usinas hidrelétricas?</p><p>4. Qual é a turbina utilizada em pequenas centrais hidrelétricas -PCH a �o d’água?</p><p>Operação de uma usina hidrelétrica</p><p>1</p><p>Aumentar a potência instalada das usinas existentes.</p><p>2</p><p>Aumentar a produção total de energia com o aumento da</p><p>capacidade do reservatório pela ambientação da altura das</p><p>barragens.</p><p>3</p><p>Construir novas centrais hidrelétricas, possibilitando a</p><p>expansão da potência gerada que será interligada ao sistema</p><p>integrado nacional.</p><p>Para construção e operação de mais de uma central hidrelétrica no mesmo rio, é necessário um planejamento cuidadoso dos</p><p>recursos hídricos da bacia hidrográ�ca, o qual inclui principalmente o melhor local de instalação de forma a conseguir a maior</p><p>quantidade de energia elétrica possível.</p><p>No caso da construção de mais de uma</p><p>usina hidrelétrica no mesmo rio, devem</p><p>ser avaliadas as divisões de quedas no</p><p>aproveitamento. Na operação, é preciso</p><p>examinar as vazões turbinadas de forma</p><p>que a operação em cascata seja</p><p>otimizada.</p><p></p><p>Esse planejamento da operação leva em</p><p>conta que as centrais hidrelétricas à</p><p>montante aumentam a energia das</p><p>centrais elétricas à jusante, pois as</p><p>primeiras aumentam o nível de água dos</p><p>reservatórios das centrais que estão à sua</p><p>frente. Tratando-se de usinas hidrelétricas</p><p>(UHE), podemos ter:</p><p>Grandes usinas hidrelétricas;</p><p>Médias usinas hidrelétricas;</p><p>Pequenas centrais elétricas (PCH).</p><p>Os problemas de implantação das usinas são interdisciplinares e estão relacionados a várias cadeiras da Ciência.</p><p>Como as pequenas centrais hidrelétricas são de menor porte, sua vantagem</p><p>é a maior simplicidade no projeto, pois a obtenção de licenças de operação é</p><p>mais fácil e mais simples na montagem e na operação regular para geração</p><p>de energia elétrica.</p><p> Componentes de uma usina hidrelétrica</p><p> Clique no botão acima.</p><p>Barragem</p><p>Segundo Pinto (2014), a barragem, também chamada de represa, é uma barreira de concreto ou pedra com �nalidade</p><p>de armazenar água. Seu arranjo depende da topogra�a do local de instalação e das condições da fundação. Boa parte</p><p>do custo da hidrelétrica é para a construção da barragem, que representa uma obra de elevado grau de complexidade.</p><p>A escolha do melhor tipo de barragem para uma determinada seção é problema tanto de viabilidade técnica quanto de</p><p>custo. A solução técnica depende do relevo, da geologia e do clima. O custo depende dos vários tipos de barragens e</p><p>principalmente da disponibilidade de materiais de construção próximos da obra e da acessibilidade de transportes. Há</p><p>diferentes tipos de barragens:</p><p>De gravidade;</p><p>Em arco;</p><p>De gravidade em arco.</p><p>A avaliação e escolha são efetuadas através de considerações técnicas e econômicas de responsabilidade da</p><p>engenharia civil.</p><p>De acordo com a ANEEL (2008), os sistemas de captação e adução são formados por túneis, canais ou condutos</p><p>metálicos que têm a função de levar a água até a casa de força. É nesta instalação que estão as turbinas, formadas</p><p>por uma série de pás ligadas a um eixo conectado ao gerador.</p><p>Um problema associado aos condutos forçados é a perda de carga,</p><p>que pode ser re�etida com a diminuição na queda</p><p>útil de água devido a fenômenos de escoamento da água, tais como atrito, características do encanamento e outras. A</p><p>determinação dessa perda é parte importante do projeto e depende largamente do material utilizado na tubulação</p><p>(aço, concreto, ferro fundido, cimento e outros).</p><p>Sendo assim, a altura de perdas no conduto forçado (Hp) indica o valor de redução em metros da altura real de queda,</p><p>equivalente às perdas do sistema de adução, e podem ser calculadas desta forma:</p><p>Casa de força</p><p>A casa de força é o local onde �cam instaladas as turbinas da usina hidrelétrica e demais equipamentos de controle da</p><p>geração. Durante o seu movimento giratório, as turbinas convertem a energia cinética (do movimento da água) em</p><p>energia elétrica por meio dos geradores que produzirão a eletricidade. Depois de passar pela turbina, a água é</p><p>restituída ao leito natural do rio pelo canal de fuga.</p><p> Figura: Barragem da Usina de Itaipu (Furnas)- tipo gravidade | Fonte: Furnas</p><p> Figura: Lago da usina Fontes Novas em Piraí – RJ | Fonte: Acervo</p><p>próprio</p><p> Figura: Barragem da usina Fontes Novas em Piraí – RJ | Fonte: Acervo</p><p>próprio</p><p>Hp = 10. 643. .( )Q</p><p>λ</p><p>1.95</p><p>D−4.87.L</p><p>Segundo Pinto (2014), a potência de uma turbina é dada por:</p><p>Sendo:</p><p>P = potência gerada em kW</p><p>ρ= densidade da água em kg/m³</p><p>Q= vazão (m³/s)</p><p>H= altura de queda (m) (altura bruta)</p><p>η= rendimento total do sistema em (%)</p><p>O rendimento “η total” do pode ser dado por:</p><p>Onde:</p><p>N= número de rotações por minuto em RPM</p><p>P= potência em kW</p><p>H= altura de queda d’água em metros</p><p> Figura: Casa de força usina Anna Maria em Juiz de Fora – MG | Fonte:</p><p>Acervo próprio</p><p> Figura: Gerador Usina Anna Maria em Juiz de Fora – MG | Fonte:</p><p>Acervo próprio</p><p> Figura: Placa do Gerador da usina Anna Maria em Juiz de Fora – MG |</p><p>Fonte: Acervo próprio</p><p> Figura: Gerador da usina Fontes Novas em Piraí – RJ | Fonte: Acervo</p><p>próprio</p><p>P = ρ.Q.H. g. η</p><p>Ns = N . P√</p><p>H</p><p>5</p><p>4</p><p>/</p><p>Exemplo Uma usina hidrelétrica possui nível de água no reservatório à montante na cota de 800 metros e o nível à</p><p>jusante na cota de 660 metros. A vazão de água é de 60m³/s, o rendimento da turbina é 0,92% e do gerador 0,94%. A</p><p>adução possui encanamento de aço soldado com λ=115, diâmetro de 4,5 metros e comprimento de 1000 metros</p><p>Assuma que a densidade da água é igual a 1 (1000kg/m³). Determine:</p><p>1. A potência bruta e a potência disponível;</p><p>2. A potência no eixo e a potência elétrica;</p><p>3. O rendimento total.</p><p>Solução</p><p>A potência bruta é dada por:</p><p>Com a vazão 60m³/s</p><p>Temos que as perdas nos condutos é:</p><p>Considerando a potência bruta, temos o rendimento = 1</p><p>Para a potência disponível:</p><p>Potência do eixo = Peixo = P disponível . ηt= 81168. 0,92= 74.675kW</p><p>Potência elétrica = Pel = Peixo . ηg= 74675 . 0,94= 70.195Kw</p><p>Rendimentos</p><p>No sistema de admissão:</p><p> Figura: Barragem da Usina de Itaipu (Furnas)- tipo gravidade | Fonte: Furnas</p><p>H = 800 − 660 = 140 metros</p><p>Hp = 10, 643. .   .L( )Q</p><p>λ</p><p>1,85</p><p>D−4,87</p><p>Hp = 10, 643. .  4, . 1000 = 2, 1( )60</p><p>115</p><p>1,85</p><p>5−4,87</p><p>P = p.Q.H. g.n</p><p>P = 1000 . 60 . 140m. 9, 81 . 1 = 82. 404kwkg</p><p>m3</p><p>m3</p><p>s</p><p>m</p><p>s2</p><p>P = 1000 . 60 . (140 − 2, 1)m. 9, 81 . 1 = 81. 168kwkg</p><p>m3</p><p>m3</p><p>s</p><p>m</p><p>s2</p><p>n = = 0, 985140−2,1</p><p>140</p><p>Do sistema total: nTotal = 0, 985. 0, 92. 0, 94  = = 0, 852Pot. elétrica</p><p>Pot.bruta</p><p>70195</p><p>82404</p><p>Tipos de turbinas</p><p>Os principais tipos de turbinas hidráulicas são: Pelton, Kaplan, Francis e Bulbo. Cada turbina é adaptada para funcionar em</p><p>usinas com determinadas faixas de altura de queda e vazão.</p><p>Turbina Pelton</p><p>A turbina Pelton é considerada uma das mais e�cientes turbinas hidráulicas, fabricada até 200MW de potência. É indicada</p><p>para altas quedas d’água (de 250 a 2500 metros). A velocidade do jato de água na saída do bocal dessa turbina pode ir de</p><p>150 a 180 m/s.</p><p>Turbina Francis</p><p>As turbinas Francis e Kaplan são chamadas de turbinas de reação, pois o trabalho mecânico é obtido por meio da</p><p>transformação das energias cinéticas e de pressão do �uxo d’água no rotor da turbina. São utilizadas para baixas e médias</p><p>quedas de água.</p><p>1</p><p>Turbina Kaplan</p><p>É semelhante à turbina Francis, porém o rotor foi reduzido a um núcleo com poucas pás (de duas a seis) em formato de</p><p>hélice, que giram sobre si mesmas mudando os ângulos de entrada e saída e consequentemente as velocidades (quando as</p><p>pás são �xas, a turbina é do tipo hélice). São adequadas para baixas quedas (de 30 a 250 metros) com potência geralmente</p><p>entre 30 e 250MW.</p><p>https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0206/aula2.html?brand=estacio</p><p>https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/go0206/aula2.html?brand=estacio</p><p>Turbina bulbo</p><p>As turbinas tipo bulbo são próprias para usinas a �o d’água ou locais com baixas quedas (de até 30 metros).</p><p>Atividade</p><p>5. Assinale a alternativa correta sobre as usinas hidrelétricas e os recursos hídricos.</p><p>a) A água não tem sido considerada mais um recurso renovável já que as mudanças climáticas têm causado um volume menor de chuvas</p><p>todos os anos.</p><p>b) As usinas a fio d’água aproveitam a velocidade e a vazão do rio para geração de energia elétrica.</p><p>c) Todas as usinas hidroelétricas possuem vertedouro, cuja função é permitir que as populações mais à frente da usina tenham água</p><p>suficiente para seu consumo.</p><p>d) As usinas hidroelétricas que possuem reservatório podem ou não ter conduto forçado, dependendo do tipo de turbina utilizado para a</p><p>geração de energia.</p><p>e) As principais turbinas utilizadas para a geração de hidroeletricidade são a ABB, Siemens, Weg e Westinghouse.</p><p>Notas</p><p>turbinas Francis 1</p><p>A turbina Francis é caracterizada por ter o escoamento d’água no seu interior perpendicular ao eixo da máquina. O �uxo d’água</p><p>é conduzido ao interior da turbina por um tubo espiral aliado a um conjunto de palhetas estáticas, forçando o escoamento a ser</p><p>radial em relação ao motor. São melhor empregadas em quedas de 40 a 400 metros e sua potência pode variar de 10 a</p><p>750MW. É utilizada em diversas usinas nacionais e na usina de Três Gargantas na China.</p><p>Referências</p><p>AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. 3. ed. Brasília, 2008. Disponível em:</p><p>//www2.aneel.gov.br/arquivos/PDF/atlas3ed.pdf. Acesso em: 18 jul. 2019.</p><p>PINTO, M. O. Energia elétrica: geração, transmissão e sistemas interligados 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014.</p><p>REIS, L. B. Geração de energia elétrica. 2. ed. São Paulo: Manole, 2011.</p><p>Próxima aula</p><p>javascript:void(0);</p><p>Geração termelétrica e seus fundamentos;</p><p>Suprimentos para termelétricas;</p><p>Caldeiras para geração de energia.</p><p>Explore mais</p><p>Os impactos ambientais de uma usina hidrelétrica</p><p>Os impactos sociais e ambientais da usina de Belo Monte</p><p>javascript:void(0);</p><p>javascript:void(0);</p>