PEA 2420 Geracão Hidrelétrica Parte 1 V2012 (2)

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PEA - 2420 : Produção de Energia Elétrica
Prof. Dr. Dorel Soares Ramos
Escola Politécnica da 
Universidade de São Paulo
São Paulo, 31 de Julho de 2012.
Parte 1 
Geração Hidrelétrica
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PEA - 2420 : Produção de Energia Elétrica – Edição 2012
Programa da Disciplina
Bibliografia Básica:
Notas de aula
REIS, L.B. Geração de Energia Elétrica. Tecnologia, Inserção Ambiental, Planejamento, Operação e Análise de Viabilidade. Ed. Manole, São Paulo, 2003, 324p.
SOUZA, Z.; FUCHS, R. D.; SANTOS, A . H. M. Centrais Hidro e Termelétricas. 
SIMONE, G; A Centrais e Aproveitamento Hidrelétricos, Ed Érica, 246p.
LORA,E.E.S; NASCIMENTO,M.AR. Geração Termelétrica: Planejamento, Projeto e Operação. Volumes 1 e 2, Editora Intersciência, Rio de Janeiro, 2004
Apostilas do curso
Eliane Fadigas. Energia Eólica, Ed Manole.
   
 
  
  
Homepage da disciplina: http://disciplinas.stoa.usp.br
 
 
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Classificação das fontes de energia elétrica
 
Convencionais e não-convencionais 
 (alternativas)
 Renováveis e não-renováveis
 
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Potencial Hidrelétrico
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Princípio de Funcionamento
Potência = m.g.HQ
m = massa que cai / seg
g = aceleração da gravidade
HQ = queda bruta
Se a água que cai, vem de um rio com velocidade v’
P= m.g.H + 1/2 m.v’2
Obs: 1/2 m.v’2 em geral pode ser desprezada pois v’ é muita pequena
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Função de Produção
Q = volume de água que escoa por segundo através do tubo (vazão)
P = g.H.Q
g = aceleração da gravidade - 9,81m/s2
 = 1.000 kg/m3
Potência = 9,81 HQ (kW)
sendo H - metros e Q - m3/s
Troca-se m/seg por Q (vazão) 
m3/s
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Hidrelétrica - Características
 Rendimento ou eficiência:
Valores típicos são: 
com
onde
- Rendimento do sistema hidráulico
- Rendimento da turbina
- Rendimento do gerador
FC - Fator de capacidade da usina
onde
E - Energia produzida no ano 
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Prioridades de Enchimento e Deplecionamento
U1
U2
U3
U4
P = g.( H . T . G) Q . H
Exemplo:
P=9,81x(0,94 x 0,98)x40x450/1000= 162,7 MW 
Q = m3/s= vazão turbinada
g= aceleração da gravidade
H = altura de queda (m)
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ASPECTOS BÁSICOS DE HIDROLOGIA
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Postos de medição existentes em diversos locais das bacias hidrográficas recebem o nome de posto fluviométrico
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CONCEITO DE TRANSPOSIÇÃO
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Fluviograma: representa o comportamento da vazão em uma seção reta (local) do rio ao longo do tempo
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Assegurada
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REGULARIZAÇÃO DE VAZÕES
CAPACIDADE DOS RESERVATÓRIOS
Considerando-se o comportamento variável das vazões no rio, pode-se concluir que, se nada for feito, apenas uma vazão muito pequena poderia ser usada na maior parte do tempo.
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A vazão média obtida após a instalação de barragem no rio recebe o nome de vazão regularizada.
O processo de armazenamento de água e obtenção da vazão regularizada recebe o nome de regularização do rio.
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Curvas Cota x Área / Volume 
 
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Operação de Sistema Hidrelétrico
SISTEMA HIDRÁULICO
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 M
 A
F 
 M
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 J
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10000
15000
5000
0
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1º ano
2º 
3º 
 
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A 
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4º 
 PERÍODO CRÍTICO
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ENERGIA FIRME HIDROELÉTRICA
ENERGIA SECUNDÁRIA
Fonte: CANAMBRA 1964
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Operação de Sistema Hidrotérmico
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4º 
SISTEMA HIDROTÉRMICO
 PERÍODO CRÍTICO
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ENERGIA FIRME HIDROTÉRMICA
ENERGIA SECUNDÁRIA
CAPACIDADE
TERMICA
TERMICA
 ENERGIA FIRME HIDRELÉTRICA
Fonte: CANAMBRA 1964
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PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
A produção de energia elétrica, dependerá, dentre outros fatores, da vazão de água efetivamente usada para produzir a energia mecânica que acionará o gerador elétrico
Esta vazão recebe o nome de vazão turbinável (ou turbinada), pois deverá acionar a turbina que transmitirá energia ao gerador
O valor dessa vazão turbinável e suas características ao longo do tempo estarão relacionadas com o tipo de aproveitamento (fio d’água ou com reservatório), com sua regularização e com o tipo de uso que se fará da vazão regularizada
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Sistema Elétrico Brasileiro - Estrutura Regional
 4 grandes Subsistemas Interligados
 110.000 MW de capacidade instalada, com cerca de 100 usinas com mais de 30 MW (além de quase toda parcela paraguaia de Itaipú) 
 ~ 82 % hidrelétrico
 43 grandes reservatórios em 12 Bacias Hidrográficas
 Produção superior a 482.000 GWh ano (55.0 GWm)
 Demanda Máxima de quase 80.000 MW
 70.000 km de linhas de transmissão (230 kV e acima)
 Faturamento anual estimado em mais de 30 bilhões de Reais
 55 % do mercado da América do Sul
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Subsistemas Sul / Sudeste - Energia Armazenada
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Quadrilátero dos Grandes Reservatórios
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Sistema de dimensão continental com predominância hidrelétrica.
Quatro submercados, sendo que o Norte cada vez mais será exportador, seguido pelo Sul.
Características dos Subsistemas
Sistema Interligado Norte
Exportador 9 meses do ano
Sistema Interligado Nordeste
Crescentemente mercado de demanda, com reversão do quadro em função da intensificação do aproveitamento da energia eólica.
Sistema Interligado Sudeste/Centro-Oeste
Grande mercado de demanda no país.
Importador de outras regiões e países vizinhos, na maior parte do ano.
Grande capacidade de armazenamento em múltiplos reservatórios.
Sistema Interligado SUL
Hoje : Sistema hidrotérmico com grande variabilidade de armazenamento: intercâmbios com SE/CO variando de sentido.
Futuro : Expansão da geração e intercâmbios internacionais o tornam exportador em potencial.
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Hidrelétrica - Principais componentes
 Barragens
 Vertedouros
 Comportas
 Stop logs
 Condutos
 Chaminés de equilíbrio ou câmera de descarga
 Casas de força
Comporta
Soleira Livre
Tulipa
Descarregador de Fundo
Bacia de Dissipação
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Diagrama Geral de uma Hidrelétrica 
 
(Distribuidor)
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Principais Componentes
Comportas e grades
NJ
Casa de máquinas
Conduto forçado
Chaminé de equilíbrio
Tomada de água
NM
Barragem
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_963401077.bin
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Usina Hidrelétrica
Linhas de transmissão
Barragem
Conduto Forçado
Geradores
Turbinas
Seção Transversal de uma Usina Hidrelétrica Típica
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BARRAGEM DE TRÊS GARGANTAS - CHINA
Finalidade:
 Represar a água para captação e desvio
 Elevar o nível da água para aproveitamento elétrico e navegação
 Represar a água para regularização de vazões e amortecimentos de cheias
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VERTEDOUROS OU EXTRAVASORES
Ilha Solteira
São necessários para descarregar as cheias e evitar que a barragem seja danificada
Itaipú
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COMPORTAS E TOMADA DÁ AGUA
Comportas: permitem isolar a água do sistema final de produção de energia elétrica,
tornando possível por exemplo, trabalhos de manutenção.
Tomada d´água: permitir a retirada de água do reservatório e proteger a entrada do conduto de danos e obstruções.
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CONDUTOS
Podem ser livres ou forçados
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CHAMINÉ DE EQUILÍBRIO PO CÂMARA DE DESCARGA
Função principal : aliviar o excesso de pressões causado pelo golpe de aríete
NJ
Casa de máquinas
Conduto forçado
Chaminé de equilíbrio
Tomada de água
NM
Barragem
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Configuração de uma 
Casa de Força
Arranjo de eixo vertical
Canal de Fuga
Ponte Rolante
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TURBINA DE ITAIPÚ
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TIPOS DE CENTRAIS HIDRELÉTRICAS
Classificação:
 Quanto ao uso das vazões naturais
 À potência
 À forma de captação de água
 Função no sistema
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Tipos de Centrais Hidrelétricas
Quanto ao uso das vazões naturais
Centrais a fio d’água
 Centrais de acumulação
 Centrais reversíveis
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Central a Fio d’água
Tem uma capacidade de armazenamento muito pequena e, em geral, dispõe somente da vazão natural do curso d´água
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Central de Acumulação
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Central Reversível
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Tipos de Centrais Hidrelétricas
Quanto à potência 
micro P < 100 kW
 mini 100 < P < 1.000 kW
 pequenas 1.000 < P < 30.000 kW
 médias 30.000 < P < 150.000 kW
 grandes P > 150.000 kW
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Tipos de Centrais Hidrelétricas
Quanto à altura de queda d’água:
 baixíssima H < 10 metros
 baixa 10 < H < 50 metros
 média 50 < H < 250 metros
 alta H < 250 metros
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Tipos de Centrais Hidrelétricas
Quanto à forma de captação da água
leito de rio ou de barramento
desvio ou em derivação
Conduto forçado
Restituição da água
Rio
Casa de máquinas
Chaminé de equilíbrio
Conduto de adução
Sob pressão ou a céu aberto
Tomada d'água
Barragem
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Conduto forçado
Restituição da água
Rio
Casa de máquinas
Chaminé de equilíbrio
Conduto de adução
Sob pressão ou a céu aberto
Tomada d'água
Barragem
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NM
Casa de máquinas
Conduto forçado
Chaminé de equilíbrio
Tomada de água
NJ
Barragem
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Central hidrelétrica em desvio
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Pontos a serem analisados quando da instalação de uma Central Hidrelétrica
 Potência mecânico –hidráulica disponível
 Potência utilizável
 Possibilidade de transporte dos componentes ao parque gerador
 Custo das obras civis
 Custos dos equipamentos de ação direta e dos equipamentos auxiliares
 Custo de manutenção
 Rendimento dos equipamentos de ação direta (turbina e gerador)
 Custo das áreas inundáveis
 Valores da áreas no entorno do reservatório
Aspectos ligados à geologia e à localização do reservatório e da barragem