Aulas 2 e 3 Fundamentos da Geração de Energia Elétrica

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23/08/2017 
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FUNDAMENTOS DA GERAÇÃO DE ENERGIA 
ELÉTRICA: 
 Usinas Hidrelétricas 
 Usinas Termelétricas. 
 
 
DISCIPLINA: INSTALAÇÕES ELÉTRICAS 
PREDIAIS 
2017/2 
 
Eng. Civil, MSc. Danilo Gonçalves Batista 
 
USINAS HIDRELÉTRICAS 
 Histórico; 
 Classificação; 
 Componentes de uma usinas 
hidrelétrica 
 Princípio de funcionamento. 
 
 
DISCIPLINA: INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS 
2017/2 
 
Eng. Civil, MSc. Danilo Gonçalves Batista 
 
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Prof. MSc. Danilo Gonçalves Batista 
FACULDADES OBJETIVO, CURSO DE ENGENHARIA CIVIL - 10º PERÍODO: 2017/2 
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USINAS HIDRELÉTRICAS 
O uso da força das águas para gerar energia é bastante antigo e começou com a utilização 
das rudimentares “turbinas movidas à água” conhecidas como rodas d’água. Estas, 
através da ação direta de uma queda, fluxo ou vazão d’água, produz energia mecânica e 
são usadas desde o século I A.C. A partir do século XVIII, com o surgimento de tecnologias 
como o motor, o dínamo, a lâmpada e a turbina hidráulica, foi possível converter a 
energia mecânica em energia elétrica. 
 
O acionamento do primeiro sistema de conversão de energia hídrica em energia elétrica 
do mundo ocorreu em 1897, quando entrou em funcionamento a hidrelétrica de “Niágara 
Falls” (EUA) idealizada por Nikola Tesla com o apoio da Westinghouse. 
 
 
Figura: “Niagara Falls New York in 1886” 
As águas do Niágara foram utilizadas como fonte de 
energia para um moinho desde 1759. A partir de 1853 
foi realizado o aproveitamento hidroelétrico por meio 
da implantação de uma usina da Niágara Falls 
Hydraulic Power and Mining Company. Em 1881 era 
gerada eletricidade na forma de corrente contínua 
para abastecimento da vila de Niágara Falls, no Estado 
de Nova Iorque. 
Disponível em: 
http://aserradomar.blogspot.com.br 
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CLASSIFICAÇÃO DAS USINAS HIDRELÉTRICAS 
No Brasil, as usinas hidrelétricas podem ser classificada de acordo com a sua potência 
de geração de energia. Os dois principais tipos de classificação, conforme Resolução 
ANEEL N.º 394/98, são: as PCH’s, ou pequenas centrais hidrelétricas que produzem de 
1MW (1.000 kW) a 30 MW (30.000 kW) e possui um reservatório com área inferior a 3 
km², e as GCH’s, ou grandes centrais hidroelétricas que produzem acima de 30 MW 
(30.000 kW) . 
 
Usina: PCH Rochedo 
Potência: 4,0 MW 
Usina: UHE Corumbá III 
Potência: 93,6 MW 
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COMPONENTES DE UMA USINAS HIDRELÉTRICA 
 Uma UHE pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade 
é a geração de energia elétrica através de aproveitamento do potencial hidráulico de 
um curso d’água. 
 Basicamente, uma usina hidrelétrica compõe-se das seguintes partes: barragem, 
reservatório, casa de força, circuito hidráulico e subestação elevadora. 
 
 
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FUNCIONAMENTO DA USINA HIDRELÉTRICA 
 As usinas hidroelétricas funcionam através da pressão da água que gira a turbina, 
transformando a energia potencial em energia cinética. Depois de passar pela turbina o 
gerador transforma a energia cinética em energia elétrica. Através de fios e cabos a 
energia é distribuída, e antes de chegar nas casas e comércios é transformada em baixa 
tensão. 
 Em outras palavras, a usina hidrelétrica é uma instalação que transforma a energia 
potencial hidráulica em energia elétrica. Para que isso aconteça, é necessário que exista 
um desnível hidráulico natural, ou condicionado por uma barragem, para captação e 
condução da água à turbina, que transfere energia mecânica ao gerador. 
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PRODUÇÃO DA ENERGIA ELÉTRICA 
RECAPITULANDO A ESQUEMATIZAÇÃO DA UHE! 
O respon-
sável pela 
produção 
de energia 
é o 
gerador!!! 
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COMPONENTES DA UHE 
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 COMPONENTES DA UHE 
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RELEMBRANDO O TEMA “ELETRICIDADE” – FÍSICA BÁSICA 
O esquema representa um gerador de corrente 
alternada, denominado alternador. O conjunto 
de espiras é chamado armadura e seus 
terminais são coletados a anéis metálicos. 
 
Em cada anel apoia-se uma escova, geralmente 
de grafite; a corrente é entregue ao circuito 
através dessas escovas. Denomina-se coletor o 
conjunto formado pelos anéis e escovas. 
 
A espira girando em campo magnético 
uniforme, com velocidade angular constante 
gera uma corrente alternada induzida. 
Numa usina hidrelétrica, a rotação da 
armadura é originada pela energia 
mecânica de uma turbina. Essa energia 
pode ser obtida através da energia 
potencial do desnível de uma queda 
d'água ou através da energia de uma 
máquina a vapor. 
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RELEMBRANDO O TEMA “ELETRICIDADE” – FÍSICA BÁSICA 
 
Ocorre que quando um fio condutor corta as linhas de força de um 
campo magnético, aparece nas suas extremidades uma tensão elétrica. 
Se, em lugar de um simples condutor tivermos uma bobina e ela girar 
dentro de um campo magnético em alta velocidade de modo a ficar 
cortando constantemente suas linhas de força, teremos o aparecimento 
de uma tensão nas suas extremidades. 
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USINAS HIDRELÉTRICAS 
 Os geradores de eletricidade necessitam de energia mecânica (energia cinética) 
para fazerem girar os rotores das turbinas, nos quais estão acoplados, no 
mesmo eixo, os rotores dos geradores de eletricidade. 
 Uma turbina hidráulica ou térmica é montado no mesmo eixo de um gerador 
síncrono 
 Obs. A máquina síncrona é assim chamada devido o sincronismo entre 
campo do estator e do rotor. 
 
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USINAS TERMELÉTRICAS 
 Histórico; 
 Classificação; 
 Componentes de uma usinas hidrelétrica 
 Princípio de funcionamento. 
 
 
DISCIPLINA:INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS PREDIAIS 
2017/2 
 
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USINAS TERMELÉTRICAS 
 Conforme destacado em Furnas (2017), uma usina termelétrica pode ser definida 
como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia 
elétrica, através de um processo que consiste em três etapas. 
 
 Nas usinas térmicas convencionais, a primeira etapa consiste na queima de um 
combustível fóssil, como carvão, óleo ou gás, transformando a água em vapor 
com o calor gerado na caldeira. 
 
 A segunda etapa consiste na utilização deste vapor, em alta pressão, para girar 
a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico. 
 
 Na terceira etapa, o vapor é condensado, transferindo o resíduo de sua energia 
térmica para um circuito independente de refrigeração, retornando a água à 
caldeira, completando o ciclo 
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A conversão da energia térmica em mecânica se dá através do uso de um fluido (que 
geralmente é a água), que produzirá, em seu processo de expansão, trabalho em 
máquinas (turbinas ou motores) térmicas. O acionamento mecânico de um gerador 
elétrico acoplado ao eixo da máquina permite a conversão de energia mecânica em 
elétrica 
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 USINAS TERMELÉTRICAS 
Central nuclear PWR – (reator a água pressurizada) 
Fonte: http://fisica.cdcc.sc.usp.br/olimpiadas/02/Gabarito2.html 
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USINAS TERMELÉTRICAS 
A produção da energia térmica pode 
se dar pela transformação da energia 
química dos combustíveis, através do 
processo da combustão, ou da energia 
nuclear dos combustíveis radioativos, 
com a fissão nuclear. 
 
• Centrais cuja geração é 
baseada na combustão são 
conhecidas como 
termelétricas; 
• As centrais termelétricas 
baseadas na fissão nuclear 
são chamadas de centrais 
nucleares. 
 
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FUNCIONAMENTO DAS USINAS TERMELÉTRICAS 
 Primeiramente aquece-se uma caldeira com água, essa água será transformada 
em vapor, cuja a força irá movimentar as pás de uma turbina que por sua vez 
movimentará um gerador. 
 Uma maneira de se aquecer o caldeirão é através da queima de combustíveis 
fósseis (óleo, carvão, gás natural). Após a queima eles são soltos na atmosfera 
causando grandes impactos ambientais. 
 Uma outra maneira de aquecimento é utilizando a energia nuclear, através de 
reações nucleares como a quebra (fissão) do urânio. 
 Há vários tipos de usinas termelétricas, sendo que os processos de produção 
de energia são praticamente iguais porém com combustíveis diferentes. Alguns 
exemplos são: 
 Usina a óleo; 
 Usina a carvão; 
 Usina nuclear; e 
 Usina a gás: usa gás natural como o combustível para alimentar um 
turbina de gás. Os gases produzem uma alta temperatura através da 
queima, e são usados para produzir o vapor. 
 
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DISCIPLINA: INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS 
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FUNCIONAMENTO DAS USINAS TERMELÉTRICAS 
 Após o vapor ter movimentado as turbinas ele é enviado a um condensador para 
ser resfriado e transformado em água líquida para ser reenviado ao caldeirão 
novamente, para um novo ciclo. Esse vapor pode ser resfriado utilizando água de 
um rio, um lago ou um mar, mas causa danos ecológicos devido ao aquecimento da 
água e consequentemente uma diminuição do oxigênio. Outra maneira de resfriar 
esse vapor é utilizando água armazenada em torres, por sua vez esta água é 
enviada em forma de vapor a atmosfera, alterando o regime de chuvas. 
 
 Um dos maiores problemas das usinas termoelétricas é a grande contribuição que 
elas têm com o aquecimento global através do efeito estufa e de chuvas ácidas, 
devido a queima de combustíveis. No caso das usinas termoelétricas de Angra dos 
Reis que usam como fonte de calor energia nuclear, além da poluição térmica ainda 
existe o problema do lixo atômico. 
 
 Atualmente, para otimizar e aumentar a eficiência energética, uma usina 
termelétrica pode operar em ciclo combinado. Esta situação pode ser definida 
como um conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade é a geração de energia 
elétrica, através de um processo que combina a operação de uma turbina à gás, 
movida pela queima de gás natural ou óleo diesel, diretamente acoplada a um 
gerador. 
 
 
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FUNCIONAMENTO DAS USINAS TERMELÉTRICAS 
 No ciclo combinado os gases de escape da turbina à gás, devido à temperatura, 
promovem a transformação da água em vapor para o acionamento de uma turbina a 
vapor, nas mesmas condições descritas no processo de operação de uma termelétrica 
convencional. 
Figura extraída de Furnas (2017) 
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Fundamentos da Transmissão de Energia 
Elétrica 
 
 
DISCIPLINA: INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS 
2017/2 
 
Eng. Civil, MSc. Danilo Gonçalves Batista 
 
PRÓXIMA AULA!