Aula 9 Energia Hidraulica e o aproveitamento energ+®tico das quedas d'agua

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ENERGIA HIDRELÉTRICA
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Sumário
Introdução
Utilização da energia hidráulica
Vantagens e desvantagens
Funcionamento das centrais hidrelétricas
Tipos de centrais hidrelétricas
Tipos de turbinas
Exemplos de centrais hidrelétricas
Introdução
A energia hídrica ou hidroelétrica provém da força das águas. 
A energia hidráulica é uma energia renovável que se baseia em aproveitar quedas d’agua a determinada altura.
A energia potencial, durante a queda, se converte em energia cinética.
A força hidrelétrica começou a ser utilizada em meados do século 20, mas a ideia de usar a água para gerar energia existe há milhares de anos.
Uma usina hidrelétrica é, na verdade, um moinho de água gigante.
O começo...
Há mais de 2.000 anos, os gregos utilizavam moinhos de água para transformar trigo em farinha.
O começo...
Estes antigos moinhos de água são como as turbinas modernas, que giram quando o fluxo de água atinge as lâminas. As da roda transformam o trigo em farinha.
O começo...
Vantagens
Muito barato após a represa ser construída;
Investimentos dos governos;
Ex. o oeste dos EUA investiu pesadamente na construção de represas. 
No Brasil o investimento do governo também é considerável. 
Desvantagens 
Fonte muito limitada pois depende da elevação da água;
O colapso da represa conduz geralmente à perda de vidas;
As represas afetam os peixes (por exemplo as corridas dos peixes até a foz do rio);
Os danos ambientais para as áreas inundadas (acima da represa) e rio abaixo.
É um complexo arquitetônico, um conjunto de obras e de equipamentos, que tem por fins produzir energia através do aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio.
Pode-se dizer que a energia elétrica é obtida em essência a partir da com a força hidráulica da água acumulada em grandes reservatórios. 
Usina hidrelétrica...
Forças no processo de geração
Presença constante dos conceitos de fenômenos de transporte como vazão, escoamento, pressão e principalmente (em essência) as forças hidráulicas.
 
Pontos importantes de aplicações de forças hidráulicas
A água do canal ou da barragem entra no tubo onde se dá a queda d’agua. Sua energia potencial é convertida em energia cinética chegando a sala de máquinas, que alojam as turbinas hidráulicas e os geradores elétricos.
Funcionamento das centrais hidrelétricas...
Barragens
	São construídas, principalmente, para: represar a água para captação e desvios, elevar o nível da água para aproveitamento elétrico e navegação, e regularizar as vazões e amortecimento de ondas de enchentes. A solução técnica para a escolha do tipo de barragem depende do relevo, da geologia e do clima do local.
Funcionamento das centrais hidrelétricas...
Comportas
	Permitem isolar a água do sistema final de produção da energia elétrica, tornando possíveis, por exemplo, trabalhos de manutenção.
Funcionamento das centrais hidrelétricas...
Vertedouro
	Em hidráulica, vertedouro é um canal artificial executado com a finalidade de conduzir seguramente a água através de uma barreira, que geralmente é uma barragem, ou ele é destinado a auxiliar na medição da vazão de um dado fluxo de água.
	O excesso de água acumulada em um reservatório de uma barragem, de uma usina hidrelétrica, água essa que não é aproveitada na geração de energia elétrica, deve ser drenada pelo vertedouro.
Funcionamento das centrais hidrelétricas...
Vertedouro da UHE Coaracy Nunes
Vazão por Comporta 1200m3/seg
Casa de máquinas
	Prédio onde esta instado os geradores de energia elétrica e suas respectivas turbinas, bem como os seus auxiliares como bomba de óleo, compressor, e etc.
Funcionamento das centrais hidrelétricas...
Tipos de centrais hidrelétricas...
Em relação à capacidade de regularização do reservatório;
Em relação ao sistema de adução;
Quanto à potência instalada e queda do projeto.
Tipos de centrais hidrelétricas...
 Em relação à capacidade de regularização do reservatório;
 PCH com reservatório de acumulação, com regularização diária e mensal;
PCH sem reservatório de acumulação, a Fio d’água.
- PCH com reservatório de acumulação, com regularização diária e mensal:
Quando a vazão do rio no qual a PCH está instalada é inferior à necessidade do projeto para que a usina gere a potência máxima desejada, adota-se formação de um reservatório para regularizar a vazão da central. 
Este reservatório pode ser regularizado diariamente ou mensalmente. A adoção de reservatórios com regularização diária ou mensal pode ser definida segundo estudos de Dimensionamento de Parâmetros Físico-Operativo do Projeto.
- PCH sem reservatório de acumulação, a Fio d’água:
Quando a vazão de estiagem de um rio é igual ou maior que a descarga necessária à potência necessária para atender à demanada máxima pretendida, é dispensável a utilização de reservatório de acumulação. 
Nesse caso, o sistema de adução deverá conduzir a descarga necessária para o fornecimento de potência suficiente para atender à demanda máxima. Em usinas desse tipo, o vertedouro é utilizado praticamente na totalidade do tempo para extravasar o excesso de água.
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Tipos de centrais hidrelétricas...
 Em relação ao sistema de adução.
 Sistema de adução em baixa pressão com escoamento livre em canal / alta pressão em conduto forçado;
Indicado como solução economicamente mais viável quando a inclinação da encosta e a fundação apresentarem condições propícias à construção de um canal.
Sistema de adução em baixa pressão por meio de tubulação / alta pressão em conduto forçado;
Em condições contrárias ás apresentadas acima, a opção por tubulação deve ser a economicamente mais viável.
Tipos de centrais hidrelétricas...
 Quanto à potência instalada e queda do projeto.
Tipo de turbinas hidráulicas.
	A turbina hidráulica possui uma grande variedade de formas e tamanhos, efetua a transformação da energia hidráulica em energia mecânica. 
E dividem-se entre quatro tipos principais: 
Pelton;
Francis;
Kaplan;
 Bulbo. 
Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas, com uma determinada faixa de altura de queda. As vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q).
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	Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns.
 	A água entra pela tomada d´àgua, a montante da usina que está numa nível maior, e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina.
 	Lá a agua passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. 
	Para se aumentar a potência as palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se fecham. 
Tipo de turbinas hidráulicas.
 	Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina.
 	Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula.
 	O controle da vazão é feito por este dispositivo. 
Tipo de turbinas hidráulicas.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
	De acordo com a queda dágua os principais tipos de turbina hidráulica são respectivamente:
Pelton;
Francis;
Kaplan;
Bulbo.
Turbina Pelton.
	Essa turbina foi idealizada cerca de 1880 pelo americano Pelton de onde se originou o nome.
	São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isto muito mais comuns em países montanhosos.
	Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que os outros, e tem o rotor de característica bastante distintas. O que se vê é o rotor ao centro, cercado por bocais. 	
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Pelton.
	Cada um bocal é controlado por um servo motor e tem uma válvula na forma de agulha para o controle da vazão.
	 Os jatos de água ao se chocarem com as "conchas" do rotor geram o impulso.
	Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados
os 6 bocais simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc... O número normal de bocais varia de dois a seis, igualmente espeçados angularmente para garantir um balanceamento dinâmico do rotor.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
	Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. 
	As turbinas pelton, devido a possibilidade de acionamento independente nos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficiência plana, que lhe garante boa performance em diversas condições de operação.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Pelton.
Turbina Pelton.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
	A turbina Francis foi idealizada em 1849, tendo o nome do seu inventor, sendo que a primeira turbina foi construída pela firma J.M. Voith em 1873, passando desde então por aperfeiçoamentos constantes.
	Tem sido aplicada largamente, pelo fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica. 
	Atualmente se constroem para grandes aproveitamentos, podendo ultrapassar a potência unitária de 750 MW.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Francis.
	É uma típica turbina de reação, pois recebe água sob pressão na direção radial e descarrega numa direção axial, havendo transformação tanto de energia cinética como de energia de pressão em trabalho.
	A vazão trazida até a turbina pelo conduto forçado é dirigida em direção radial para a roda e, ao sair, ganha uma direção axial indo para o canal de fuga através do tubo de sucção.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Francis.
	A roda Francis apresenta um íntimo contato com a água que percorre os seus canais, não sendo, por isto, recomendável o seu emprego em usinas cuja água possua alto teor de sólidos em suspensão, que acarretam excessivo desgaste da roda por erosão.
	As turbinas Francis podem ser instaladas de eixo horizontal ou vertical, sendo este ultimo mais comum nas usinas de grande potencia.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Francis.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Francis.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Kaplan.
	A tendência e também a necessidade de se obter rotores mais velozes levou a construção, por Victor Kaplan, das turbinas hélices.
	A seguir, decorrente de pesquisas e experiências que mostravam haver uma estreita relação entre as potencias das hélices das roda, a abertura das aletas e o rendimento, construiu-se uma turbina dotada de um dispositivo de regulagem que possibilitasse as hélices acompanharem a variação das aletas.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Kaplan.
	Assim as turbinas deste tipo, com pás móveis no rotor, passaram a ser chamadas de turbinas Kaplan, enquanto as pás fixas receberam o nome de turbinas Hélice.
	Cada pá está individualmente presa à ogiva, possuindo movimento de rotação em torno de seus próprio eixo, mudando de ângulo. Este movimento é simultâneo para todas as pás.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Kaplan.
	Essas turbinas são comuns em baixas quedas; pensa-se atualmente, estender seu campo de aplicação para saltos médios, em consideração a sua grande flexibilidade de ação frente às variações de capacidade e também às variações de velocidade e queda, graças às regulação das pás motrizes.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Kaplan.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Bulbo.
	A turbina bulbo apresenta-se como uma solução compacta da turbina Kaplan, podendo ser utilizada tanto para pequenos quanto para grandes aproveitamentos. 
	Se caracteriza por ter o gerador montado na mesma linha da turbina em posição quase horizontal e envolto por um casulo que o protege do fluxo normal da água.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Bulbo.
	É empregada na maioria das vezes para aproveitamentos de baixa queda e quase sempre a fio d’água. Sua concepção compacta de uma turbina Kaplan reduz consideravelmente o volume das obras civis, tornando a mesma de menor custo. 
	Em compensação, o custo do equipamento eletromecânico, turbina e gerador é maior que os das turbinas convencionais, pela tecnologia e processos de fabricação aplicáveis em termos de ajustes e vedações.
Classificação dos Tipos de turbinas hidráulicas.
Turbina Bulbo.