ESTUDO DE REPOTENCIALIZAÇÃO DE UMA PEQUENA CENTRAL HIDRELÉTRICA

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UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO 
GRANDE DO SUL – UNIJUI 
 
 
 
 
 
MARCELO SCHMITZ NEUMANN 
 
 
 
 
 
ESTUDO DE REPOTENCIALIZAÇÃO DE UMA PEQUENA 
CENTRAL HIDRELÉTRICA 
 
 
 
 
 
 
Ijuí 
2017 
MARCELO SCHMITZ NEUMANN 
 
 
 
 
 
ESTUDO DE REPOTENCIALIZAÇÃO DE UMA PEQUENA CENTRAL 
HIDRELÉTRICA 
 
Trabalho de Conclusão de Curso de 
Engenharia Elétrica apresentado como 
requisito parcial para obtenção do título de 
Engenheiro Eletricista. 
 
 
 
 
Orientador (a): Me. Sandro Alberto Bock 
 
 
 
 
Ijuí 
2017 
 
 
MARCELO SCHMITZ NEUMANN 
 
 
 
ESTUDO DE REPOTENCIALIZAÇÃO DE UMA PEQUENA 
CENTRAL HIDRELÉTRICA 
 
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de 
ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo 
membro da banca examinadora. 
Ijuí, 28 de novembro de 2017 
Prof. Sandro Alberto Bock 
Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria - Orientador 
Prof. Julio Cezar Oliveira Bolacell 
Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ 
BANCA EXAMINADORA 
Prof. Sandro Alberto Bock (UNIJUÍ) 
Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria 
 
Prof. Gilson Rogério Batista (UNIJUÍ) 
Mestre pela Universidade Federal de Campina Grande 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Aos meus pais, a minha namorada, amigos e todos aqueles 
que sempre acreditaram no meu potencial. 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Aos meus pais, Leuri Neumann e Romicler Schmitz Neumann, que com muito carinho 
е apoio, não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida, a meu 
irmão, Mateus pelo carinho, convívio e confiança; 
A minha namorada Caroline Müller Windmöller, que sempre me apoio e me ajudou nos 
momentos de dificuldade. 
Ao meu orientador Prof. Me. Sandro Alberto Bock pelo apoio, orientação e confiança a 
mim dedicada durante a elaboração deste projeto; 
Agradeço a CEEE e de modo especial ao Técnico em Eletrotécnica Fábio Oliveira da 
Silva por fornecer parte dos dados utilizados neste projeto; 
Agradeço à UNIJUÍ de um modo geral pela estrutura e oportunidade oferecidas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“ A educação é a arma mais poderosa que você pode usar 
para mudar o mundo “ 
Nelson Mandela 
 
 
 
RESUMO 
NEUMANN, S. M. Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica. 
2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional 
do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017. 
Este estudo busca analisar e verificar a melhor forma de repotencialização da central 
hidrelétrico do Guarita, atendendo requisitos necessários e promovendo a melhoria da geração 
de energia elétrica. Entre as fontes alternativas de energia, a hidrelétrica é a mais utilizada para 
produzir eletricidade no país. As pequenas centrais hidrelétricas são favorecidas pelas 
características da matriz energética brasileira, esse tipo de empreendimento é um dos mais 
atraentes entre os sistemas de geração. O constante aumento do consumo de energia elétrica no 
Brasil tem possibilitado a readequação e modernização das pequenas centrais hidrelétricas 
existentes, pensando assim, em maneiras diferentes de aumentar sua geração. Pode se encontrar 
centrais hidrelétricas operando a mais de 50 anos, sem ter recebido se quer uma manutenção e 
nem estudos de repotencialização. A principal ideia da repotencialização é aumentar a potência 
instalada e energia gerada de uma unidade de geração já instalada. Visando um aproveitamento 
da melhor forma possível para gerar o máximo de energia, em um menor custo, que o presente 
trabalho vai investigar algumas alternativas de repotencialização para um determinado 
aproveitamento hidrelétrico já em operação. 
Palavras-chave: Fontes alternativas. Pequenas centrais hidrelétricas. Repotencialização. 
 
ABSTRACT 
NEUMANN, S. M. Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica. 
2017. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional 
do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2017. 
 
This study seeks to analyze and verify the best form of repowering of the Guarita hydroelectric 
power station, meeting the necessary requirements and promoting the improvement of electric 
power generation. Among alternative sources of energy, hydroelectric is the most used to 
produce electricity in the country. The small hydropower plants are favored by the 
characteristics of the Brazilian energy matrix, this type of enterprise is one of the most attractive 
among generation systems. e constant increase of the electric energy consumption in Brazil has 
made it possible to readjust and modernize the existing small hydroelectric plants, thus thinking 
in different ways to increase its generation. You can find hydroelectric power plants operating 
for more than 50 years, without having received a maintenance and no studies of repowering. 
The main idea of repowering is to increase the installed power and generated power of an 
already installed generation unit. Aiming at the best possible use to generate the maximum 
energy, at a lower cost, the present work will investigate some alternatives of repowering for a 
certain hydroelectric plant already in operation. 
Keywords: Alternative sources. Small hydropower plants. Repowering. 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1: Vista de jusante de uma barragem de concreto ............................................. 22 
Figura 2: Corte lateral de uma barragem de concreto. ................................................. 22 
Figura 3: Planta baixa de um modelo de tomada d’água .............................................. 24 
Figura 4: Planta baixa de um modelo de câmara de carga. .......................................... 27 
Figura 5: Corte lateral de um modelo de câmara de carga. .......................................... 28 
Figura 6: Corte longitudinal de um modelo de chaminé de equilíbrio ......................... 29 
Figura 7: Aplicações das turbinas em função da queda e descarga .............................. 32 
Figura 8: Rotor Pelton com bocal injetor ..................................................................... 33 
Figura 9: Turbina Pelton de 5 jatos .............................................................................. 34 
Figura 10: Injetor e válvula-agulha de uma turbina Peltron ......................................... 35 
Figura 11: Turbina Francis ........................................................................................... 36 
Figura 12: Turbina Kaplan ........................................................................................... 37 
Figura 13: Modelos construtivos de Kaplan “S” jusante .............................................. 38 
Figura 14: Modelos construtivos de Kaplan “S” saxo .................................................. 39 
Figura 15: Modelos construtivos de Kaplan “S” montante .......................................... 39 
Figura 16: Projeto de turbina bulbo .............................................................................. 40 
Figura 17: Localização dos principais elementos da PCH Guarita .............................. 41 
Figura 18: Vista a montante da barragem ..................................................................... 42 
Figura 19: Vista a jusante da barragem ........................................................................ 43 
Figura 20: Vista de montanteda tomada d’água com grades de espaçamento maior. . 44 
Figura 21: Vista de montante da tomada d’água com grades de espaçamento menor . 45 
Figura 22: Vista da parte inicial do túnel de adução .................................................... 46 
Figura 23: Vista da Chaminé de Equilíbrio .................................................................. 47 
Figura 24: Vista da tubulação forçada .......................................................................... 48 
Figura 25: Vista da casa de máquinas .......................................................................... 49 
Figura 26: Turbina Hidráulica e Gerador ..................................................................... 50 
Figura 27: Vista da casa de máquinas .......................................................................... 51 
 
 
LISTA DE TABELAS 
Tabela 1 - Classificação das PCH quanto à potência e quanto à queda de projeto ...... 20 
 
 
 
 
LISTA DE SIGLAS 
 
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas 
ANA Agência Nacional de Águas 
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica 
CEEE Companhia Estadual de Energia Elétrica 
CERILUZ Cooperativa Regional de energia e desenvolvimento de 
Ijuí Ltda 
CGH Central Geradora Hidrelétrica 
CGU Central Geradora Undi-elétrica 
CHD Centrais Hidrelétricas de Desvio 
CHR Centrais Hidrelétricas de Represamento 
CHV Centrais Hidrelétricas de Derivação 
DEMEI Departamento Municipal de Energia de Ijuí 
DSG Diretoria do Serviço Geográfico do Exército 
Efe Energia firme 
EOL Central Geradora Eolielétrica 
Fc Fator de capacidade 
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística 
kW Quilowatt 
kWh Quilowatt-hora 
MW MegaWatt 
MWh MegaWatt-hora 
PCH Pequena Centra Hidrelétrica 
RGE Rio Grande Energia 
RPM Rotações Por Minuto 
SOL Central Geradora Solar Fotovoltaica 
 
 
 
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................... 13 
 OBJETIVOS DE PESQUISA ......................................................................... 14 
1.1.1 Delimitação .................................................................................................. 15 
2 O QUE É UMA PCH ....................................................................................... 16 
 TIPOS DE PCH .............................................................................................. 17 
2.1.1 Fio d’Água ................................................................................................... 18 
2.1.2 PCH de acumulação, com acumulação diária de reservatório. .................... 19 
2.1.3 Com regularização mensal de reservatório. ................................................. 19 
 PCH QUANTO AO SISTEMA DE ADUÇÃO ............................................. 19 
2.2.1 Adução em baixa pressão com escoamento livre em canal / alta pressão em 
conduto forçado; 19 
2.2.2 Adução em baixa pressão por meio de tubulação / alta pressão em conduto 
forçado. 20 
 PCH QUANTO À POTÊNCIA INSTALADA E QUANTO À QUEDA DE 
PROJETO 20 
 CENTRAL HIDRELÉTRICA ........................................................................ 20 
2.4.1 Barragem ...................................................................................................... 21 
2.4.2 Tomada d’água ............................................................................................ 23 
2.4.3 Desarenador ................................................................................................. 24 
2.4.4 Canal de adução ........................................................................................... 25 
2.4.5 Câmara de carga .......................................................................................... 26 
2.4.6 Chaminé de Equilíbrio ................................................................................. 28 
2.4.7 Conduto forçado .......................................................................................... 29 
2.4.8 Túnel de Adução .......................................................................................... 29 
2.4.9 Casa de força ................................................................................................ 30 
2.4.10 Canal de Fuga .............................................................................................. 31 
 TURBINAS HIDRÁULICAS ........................................................................ 31 
2.5.1 Turbina Pelton ............................................................................................. 33 
2.5.2 Turbina Francis ............................................................................................ 35 
2.5.3 Turbina Kaplan ............................................................................................ 36 
3 PCH GUARITA ............................................................................................... 41 
 ESTRUTURAS EXISTENTES ...................................................................... 42 
3.1.1 Barragem ...................................................................................................... 42 
3.1.2 Tomada d’água ............................................................................................ 43 
3.1.3 Túnel de Adução .......................................................................................... 45 
3.1.4 Chaminé de Equilíbrio e Conduto forçado .................................................. 46 
3.1.5 Casa de força ................................................................................................ 48 
3.1.6 Turbina e Gerador ........................................................................................ 49 
3.1.7 Canal de Fuga .............................................................................................. 50 
4 REPOTENCIALIZAÇÃO .............................................................................. 52 
 ALTEAMENTO DA BARRAGEM ............................................................... 52 
 TROCA DO GRUPO-GERADOR ................................................................. 52 
 NOVAS TURBINAS ...................................................................................... 52 
 ANÁLISE HIDROENERGÉTICA ................................................................ 53 
4.4.1 Alteamento da Barragem ............................................................................. 54 
4.4.2 Troca do Grupo Gerador .............................................................................. 56 
4.4.3 Novas turbinas ............................................................................................. 57 
CONCLUSÃO ........................................................................................................ 59 
REFERÊNCIAS .................................................................................................... 61 
ANEXO A - FLUXOGRAMA DE ATIVIDADES PARA ESTUDOS E PROJETO 
BÁSICO DE PCH. ............................................................................................................. 64 
 
13 
 
______________________________________________________________________________ 
Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
1 INTRODUÇÃO 
O desenvolvimento da sociedade sempre esteve relacionado ao desenvolvimento 
tecnológico da energia elétrica. Com a crescente demanda de energia elétrica tem-se a preocupação 
de como manter um nível de desenvolvimento, sem ocorrer impactos negativos ao meio ambiente. 
Atualmente os seres humanos são dependentes da energia elétrica, ficam parcialmente 
limitados se por alguma forma ficarem sem serviços de eletricidade. Essalimitação ou 
indisponibilidade de energia elétrica pode vim a ocorrer com o aumento dessa dependência ao 
passar dos anos. 
Para tentar suprir a demanda atual, o ser humano tem desenvolvido diferentes recursos 
energéticos, alguns renováveis e outros com expectativa de vida bem curta. Tais como energia 
solar, energia eólica, energia atômica, carvão mineral, petróleo e a energia hidráulica. 
Uma fonte de energia com o recurso mais abundante da Terra é a água, com um volume 
estimado de 1,36 bilhões de quilômetros cúbicos (km³). Além de ser uma das poucas fontes de 
produção de energia da qual não contribui para o principal problema ambiental da atualidade – o 
aquecimento global. 
As usinas hidrelétricas são uma boa alternativa para utilizarem esse recurso abundante no 
planeta Terra e suprir as necessidades de energia elétrica. Pois podem ser usadas tanto em pequenas 
como grandes potências instaladas, apresentam uma grande durabilidade de equipamentos com 
tecnologia consolidada. 
No Brasil, as grandes hidrelétricas já deslocaram de suas terras cerca de mais de um milhão 
de pessoas, inundando mais de 34 mil de km² de terras férteis, florestas, modificando e destruindo 
culturas e biodiversidade (PAIM, 2006). 
É importante ser mencionado também que um projeto de uma usina hidrelétrica abrange 
vários ramos da engenharia tais como, hidráulica, mecânica dos solos e das rochas, estatística, 
mecânica, eletricidade, etc. Um só homem não pode ser especializado em todas essas ciências e 
por isso o projeto é o resultado dos estudos de uma equipe de engenheiros, liderada por um 
coordenador que deve ter conhecimento em todos os setores (SCHREIBER, 1977). 
14 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Para o projeto de uma usina hidrelétrica ser bem elaborado é preciso seguir um fluxograma 
de atividades para estudos e projeto básico de PCH (ANEXO A), respeitando as diversas normas 
e exigências existentes para tal. Depois de aprovados os projetos é importante seguir o fluxograma 
de implantação de uma PCH (ANEXO B) para que aquilo que foi projetado seja executado dentro 
daquilo que se espera do aproveitamento. 
 A repotencialização de PCHs é de grande importância, além de não poluírem, não causam 
impactos negativos ao meio ambiente pois possuem reservatórios pequenos. Também pode-se levar 
em conta que esse tipo de PCH tem um grande valor histórico, tendo um alto potencial turístico. O 
processo de repotencialização é indicado para PCHs com mais de 50 anos, pois esses equipamentos 
geralmente são encontrados com defasagem de tecnologia e obsolescência de dimensionamento da 
usina. 
A repotencialização pode agregar ganhos de vazão, queda e rendimento, incrementando a 
potência gerada com respectivos ganhos. O custo médio de uma repotencialização mantem-se em 
valores menores ao custo médio de uma construção de novas centrais hidrelétricas. 
Este trabalho se dispõe ao desenvolvimento no sentido de aperfeiçoar, utilizando métodos 
e equipamentos com tecnologias atuais que se deseja realizar o estudo de repotencialização da 
PCH. É importante salientar que a melhoria das usinas já existentes através da repotencialização 
não supri por si só a demanda de energia no país, mas já é um começo para buscar soluções. 
Sendo que a repotencialização de empreendimentos hidrelétricos está sendo vista como a 
melhor estratégia para transformação de ativos de baixa performance em ativos de alta 
rentabilidade. 
 OBJETIVOS DE PESQUISA 
 Objetivo Geral 
Este trabalho tem como objetivo reavaliar o potencial hidrelétrico, levando em conta os dados 
pré-existentes da PCH, considerando a legislação e exigências técnicas previstas pelo órgão 
regulador relacionadas ao estudo da repotencialização energética, visando um novo potencial 
energético. 
15 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
 Objetivos específicos: 
Dentro do objetivo geral, existem assuntos que serão analisados com maior profundidade e 
dedicação, de forma a: 
 Revisar a classificação das PCHs, observando a classificação para um maior 
aproveitamento no estudo; 
 Avaliar a pequena central hidrelétrica do Guarita, trançando um cenário hipotético de 
repotencialização; 
 Avaliar o funcionamento da PCH em estudo, observando a possibilidade de 
repotencialização; 
 Remodelar o projeto existente a partir de dados do estudo, modificando e 
readequando com o intuito de qualificá-la, para aumentar a energia gerada; 
 Verificar qual das alternativas de repotencialização se tornará mais adequada para tal 
melhoria. 
1.1.1 Delimitação 
O projeto visa comparar os diversos tipos de repotencialização possíveis para uma PCH, 
utilizando diferentes métodos e equipamentos com tecnologias atuais possibilitando um melhor 
aproveitamento energético. 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
2 O QUE É UMA PCH 
Na primeira edição do Manual (ELETROBRÁS, 2000), uma Usina Hidrelétrica era 
considerada como uma PCH quando: 
 A potência instalada total estivesse compreendida entre 1,0 MW e 10 MW; 
 A capacidade do conjunto turbina-gerador estivesse compreendida entre 1,0 MW e 5,0 
MW; 
 Não fossem necessárias obras em túneis (conduto adutor, conduto forçado, desvio de rio, 
etc.); 
 A altura máxima das estruturas de barramento do rio (barragens, diques, vertedouro, tomada 
d’água, etc.) não ultrapassasse 10 m; 
 A vazão de dimensionamento da tomada d’água fosse igual ou inferior a 20 m³/s. 
Segundo artigo 2 da Resolução Aneel no 395, de 4 de dezembro de 1998, ouve algumas 
mudanças institucionais para reavaliar o enquadramento desses conceitos, mudando a metodologia 
de projetos em geral. 
 
 
Posteriormente passou a valer, a Resolução Aneel no 652, de 9 de dezembro de 2003, que 
complementa a resolução anterior: 
 
 
 
Segundo esta mesma resolução, se a área do reservatório exceder o limite de 3km² será 
considerado com características de PCH, se obedecerem uma das duas condições abaixo: 
Os empreendimentos hidrelétricos com potência superior 
a 1.000 kW e igual ou inferior a 30.000 kW, com área de 
reservatório igual ou inferior a 3,0km², serão considerados como 
aproveitamentos com características de pequenas centrais 
hidrelétricas. (ANEEL, 1998). 
 
 
Será considerado com características de PCH o 
aproveitamento hidrelétrico com potência superior a 1.000 kW e 
igual ou inferior a 30.000 kW, destinado a produção 
independente, autoprodução ou produção independente 
autônoma, com área de reservatório inferior a 3,0 km², (ANEEL, 
2003) 
17 
 
______________________________________________________________________________ 
Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
I. Atendimento à equação 1: 
 
 
 
 
(1) 
Onde: 
A: é a área do reservatório (em km²); 
P: é a potência elétrica instalada (em MW); 
Hb: é a queda bruta (em m), indicada pela diferença entre os níveis de água máximo normal 
de montante e normal de jusante; 
II. Reservatório cujo dimensionamento, comprovadamente, foi baseado em outros 
objetivos que não o de geração de energia elétrica. 
Na primeira condição, para o atendimento da equação a legislação estabelece que a área do 
reservatório não pode ser superior a 13 km². 
Atualmentepassou a valer, a Resolução Aneel Nº 673, DE 4 DE AGOSTO DE 2015: 
 
 
 
1º O aproveitamento hidrelétrico com área de reservatório superior a 13 km², excluindo a 
calha do leito regular do rio, será considerado como PCH se o reservatório for de regularização, no 
mínimo, semanal ou cujo dimensionamento, comprovadamente, foi baseado em outros objetivos 
que não o de geração de energia elétrica. 
 2º A regularização de que trata o §1º deste artigo será aferida por meio do volume útil e da 
vazão máxima turbinada. 
 TIPOS DE PCH 
Será considerado com características de PCH o 
aproveitamento hidrelétrico com potência superior a 3.000 kW e 
igual ou inferior a 30.000 kW, destinado a produção 
independente, autoprodução ou produção independente 
autônoma, com área de reservatório inferior a 13,0 km², excluindo 
a calha do leito regular do rio (ANEEL, 2015) 
 
18 
 
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Segundo as diretrizes da (ELETROBRÁS, 2000), para projetos de PCH, as usinas são 
classificadas quanto a capacidade de regularização, quanto ao sistema de adução, e quanto a 
potência instalada de projeto. 
Os tipos de PCH, quanto à capacidade de regularização do reservatório, são: 
 A Fio d’Água; 
 De Acumulação, com Regularização Diária do Reservatório; 
 De Acumulação, com Regularização Mensal do Reservatório. 
Não fazem parte do escopo destas Diretrizes as centrais hidrelétricas de acumulação com 
regularização superior à mensal. Para essas, o usuário deverá consultar a bibliografia referida 
nestas. 
2.1.1 Fio d’Água 
Esse tipo de PCH desconsideram-se os estudos de regulação de vazões. Toda a descarga 
do sistema de adução já deve ser projetada, descontando a vazão ambiental, fornecendo assim a 
potência que atenda a demanda máxima. O aproveitamento energético local será parcial e o 
vertedouro funcionará na quase totalidade do tempo (ELETROBRÁS, 2000). 
Esse tipo de PCH apresenta, dentre outras, as seguintes simplificações: 
 Dispensa estudos de regularização de vazões; 
 Dispensa estudos de sazonalidade da carga elétrica do consumidor; 
 Facilita os estudos e a concepção da tomada d’água. 
No projeto: 
 Não havendo flutuações significativas do NA do reservatório, não é necessário que a 
tomada d’água seja projetada para atender a depleções do NA; 
19 
 
______________________________________________________________________________ 
Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
 Do mesmo modo, quando a adução primária é projetada através de canal aberto, a 
profundidade do mesmo deverá ser a menor possível, pois não haverá a necessidade de 
atender às depleções; 
 Pelo mesmo motivo, no caso de ser necessário a instalação de chaminé de equilíbrio, a sua 
altura será mínima, pois o valor da depleção do reservatório, o qual entra no cálculo dessa 
altura, é desprezível; 
 As barragens serão, normalmente, baixas, pois têm a função apenas de desviar a água para 
o circuito de adução; 
 Como as áreas inundadas são pequenas, os valores despendidos com indenizações serão 
reduzidos. 
2.1.2 PCH de acumulação, com acumulação diária de reservatório. 
Esse tipo de PCH é empregado quando as vazões de estiagem do rio são menores à 
necessária para fornecer a potência para suprir a demanda máxima do mercado consumidor e 
ocorrem com risco superior ao adotado no projeto (ELETROBRÁS, 2000). 
2.1.3 Com regularização mensal de reservatório. 
Quando o projeto de uma PCH considera dados de vazões médias mensais no seu 
dimensionamento energético, analisando as vazões de estiagem médias mensais, presume-se uma 
regularização mensal das vazões médias diárias, promovida pelo reservatório (ELETROBRÁS, 
2000). 
 PCH QUANTO AO SISTEMA DE ADUÇÃO 
As centrais quanto ao sistema de adução podem ser classificadas como (ELETROBRÁS, 
2000): 
2.2.1 Adução em baixa pressão com escoamento livre em canal / alta pressão em conduto 
forçado; 
Geralmente usado quando as condições forem favoráveis a construção de um canal, em rios 
pequenos e de área de drenagem pequena. Usados para atingir elevados níveis de potência 
instalados. 
20 
 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
2.2.2 Adução em baixa pressão por meio de tubulação / alta pressão em conduto forçado. 
Usado para o sistema de adução curto, a opção por tubulação única, para os trechos de baixa 
e alta pressão, deve ser estudada. 
Geralmente usado quando a distância do desvio até a casa de força é relativamente pequena. 
 PCH QUANTO À POTÊNCIA INSTALADA E QUANTO À QUEDA DE PROJETO 
As PCHs podem ser ainda classificadas quanto à potência instalada e quanto à queda de 
projeto, considerando-se os dois parâmetros conjuntamente, uma vez que um ou outro isoladamente 
não permite uma classificação adequada (ELETROBRÁS, 2000). 
 Para as centrais com alta e média queda, onde existe um desnível natural elevado, a casa de 
força fica localizada, geralmente, afastada da estrutura do barramento. Como resultado, a 
concepção do circuito hidráulico de adução envolve, rotineiramente, canal ou conduto de baixa 
pressão com extensão longa (ELETROBRÁS, 2000). 
Para as centrais de baixa queda, todavia, a casa de força fica, normalmente, junto da 
barragem, sendo a adução feita através de uma tomada d’água incorporada ao barramento 
(ELETROBRÁS, 2000). 
Tabela 1 - Classificação das PCH quanto à potência e quanto à queda de projeto 
Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
 CENTRAL HIDRELÉTRICA 
A energia hidrelétrica é gerada pelo aproveitamento do fluxo das águas em uma usina na 
qual as obras civis – que envolvem a construção e o desvio do rio e a formação do reservatório – 
são tão ou mais importantes que os equipamentos instalados. Por isso, ao contrário do que ocorre 
21 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
com as usinas termelétricas, para a construção de uma hidrelétrica é imprescindível a contratação 
da chamada indústria da construção pesada (Aneel). 
 A usina hidrelétrica é uma instalação onde a barragem, componente da usina, 
represa as águas de um rio formando um reservatório. A energia potencial, que é a energia existente 
entre o nível do reservatório antes da barragem e o nível do rio após a barragem, transforma-se em 
energia cinética (associada com o movimento), conduzida por meio de tubulações até um motor 
hidráulico chamado Turbina Hidráulica (SANTANDER, 2014). 
A central hidrelétrica compõe- se por: 
2.4.1 Barragem 
Para a construção da barragem é necessária a construção de uma barragem provisória, 
conhecida como ensecadeira. Essa barragem é construída com a finalidade de desviar o rio, por 
tempo determinado, para que a obra possa ser realizada, sendo depois destruída ou ficando 
submersa (SOUZA, e BORTONI, 1999). 
Segundo esses autores, a barragem para projetos de pequenas centrais hidrelétricas, é a 
estrutura que tem a finalidade de represar e fazer o desvio da água, para a possibilitar a alimentação 
da tomada d’água e adução. As Figuras 1 e 2 ilustram um modelo de barragem de concreto. 
A prática atual em projetos de aproveitamentos hidrelétricos tem adotado, 
preferencialmente, os seguintes tipos de barragem: 
 De terra, em seção homogênea em solo; 
 Mista; 
 Em arco; 
 De enrocamento; 
 De concreto, convencional ou compactadoa rolo (CCR), em seção tipo gravidade. 
 
 
 
 
22 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Figura 1: Vista de jusante de uma barragem de concreto 
 
Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
Figura 2: Corte lateral de uma barragem de concreto. 
 
 Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
23 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
2.4.2 Tomada d’água 
Segundo o Manual de Diretrizes para Projetos de PCH da ELETROBRÁS tomada d’água 
é a estrutura encarregada de desviar a água da represa até o canal, e deve ser dimensionada para 
uma vasão máxima de projeto e para uma velocidade máxima de escoamento na grade de 1 m/s. 
Costumam ser responsável por uma série de elementos adicionais: sistema de desbaste 
(barras com pentes de limpeza ou barreiras de limpeza), com a função de evitar a entrada de peixes, 
e uma comporta com vertedouro para regular a entrada de água. Essa estrutura deve ser projetada 
para suportar a passagem de uma enchente, aplicando-se a fórmula para a descarga livre de 
vertedouros (ELETROBRÁS, 2000). 
Para tomadas de água submersas deve-se verificar a eventualidade da formação de vórtices 
junto a estrutura, deve-se investigar a submergência da aresta através da Modelo de Gordon J. L. 
(“Vortices at Intakes”, WP&DC, April, 1970) apresentado na equação 2: 
 
 
 
(2) 
Onde: 
C: 0,7245 ou 0,5434 (para unidades métricas), para escoamento de aproximação 
assimétrico e simétrico, respectivamente; 
V: velocidade do escoamento (m/s) na região da comporta; 
D: altura do conduto de adução (m). 
Quando se projeta a tomada d’água, deve-se tomar cuidado com as componentes de 
proteção e manutenção desse sistema, como grade grossa, stop-log e comporta de serviço, com isso 
o sistema de geração não será prejudicado com sedimentos e sujeiras vindas do rio. A Figura 3 
ilustra um modelo da estrutura em planta baixa. 
 
 
 
24 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Figura 3: Planta baixa de um modelo de tomada d’água 
 
Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
2.4.3 Desarenador 
É uma câmara posicionada a montante da estrutura da tomada d’água, destinada à 
decantação da totalidade ou parte do material sólido grosso, com granulometria compreendida entre 
0,1 mm e 10 mm, transportado pelo escoamento (ELETROBRÁS, 2000). 
Para evitar prejuízos e deterioração na estrutura da usina, constrói-se um desarenador. O 
projeto mais simples compõe-se de um tanque com uma grade ou um degrau, para diminuir a 
velocidade da água que vem pelo canal (ELETROBRÁS, 2000). 
Não possuir um desarenador pode provocar: 
25 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
 Redução da seção do canal por sedimentação; 
 Redução da capacidade do tanque de carga; 
 Aumenta o desgaste do conduto, injetores e turbinas, aumentando os custos de manutenção 
e reduzindo a vida útil da usina. 
2.4.4 Canal de adução 
O canal de adução geralmente é construído de concreto, e costumam ser executados à céu 
aberto. É de grande importância, pois é através dele que a água parte da tomada até a câmara de 
carga. Podem ser construídos em formas retangulares, semicirculares, trapezoidais ou de seção 
irregular (OLIVEIRA, 2012). 
Quando se tem um conduto forçado muito elevado faz-se necessário usar as chaminés de 
equilíbrio. 
O dimensionamento do canal deverá ser efetuado em sintonia com os parâmetros definidos 
anteriormente para o projeto da tomada d’água (ELETROBRÁS, 2000). 
A sequência de cálculo a ser utilizada no dimensionamento preliminar das dimensões do 
canal é dada a seguir: 
 Definir a inclinação dos taludes (m), com base nas características geotécnicas do 
material do terreno, que garanta a estabilidade do canal. 
 Fixar, inicialmente, a lâmina d’água máxima (hmax) no canal igual a 1,0 m. 
 Subtraindo-se da elevação do NA mínimo do reservatório determina-se a cota do fundo 
do canal. 
 Fixar a velocidade máxima admissível no canal (Vmax), para escoamento com o tirante 
de 1,0 m, a partir, também, das características geotécnicas do material do terreno; essa 
velocidade deve ser compatível com a velocidade do escoamento a jusante da tomada 
d’água. 
26 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
 Estimar a largura necessária do canal (b), a partir da vazão de projeto, da velocidade 
máxima admissível e da lâmina d’água fixada, com base na Equação da Continuidade, 
como apresentado a seguir na equação 3. 
 
 
 
 
(3) 
2.4.5 Câmara de carga 
A câmara de carga é a estrutura que se localiza entre o canal de adução e a tomada d’água. 
Do mesmo modo, possui um vertedouro lateral que permite evacuar toda a vazão no caso de uma 
parada rápida da turbina ou de uma enchente. Também serve como deposito de regulação, mesmo 
que só tenha capacidade de fornecer o volume necessário para o funcionamento das turbinas sem 
intermitência. (ADRADA, T., MANCEBO, J.A. e MARTINEZA, C.,2013). As Figuras 4 e 5 
ilustram em planta baixa e corte respectivamente esse tipo de estrutura. 
Para alturas de queda maiores que 25 m, como prevenção, deverá ter um volume de água 
suficiente para atender a total funcionamento de uma turbina, com vazão de projeto, durante 60 
segundos. E deverá ser dimensionada por engenheiros hidráulicos e mecânicos (ELETROBRÁS, 
2000). 
No projeto da câmara de carga, devem ser observados os seguintes aspectos: 
 Visando-se manter o escoamento tranquilo, deve-se evitar, sempre que possível, mudanças 
bruscas de direção na transição canal de adução/câmara de carga e câmara de carga/tomada 
d’água (ELETROBRÁS, 2000); 
 As “zonas mortas” e zonas de turbulência devem ser evitadas e/ou minimizadas 
(ELETROBRÁS, 2000). 
 
 
27 
 
______________________________________________________________________________ 
Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Figura 4: Planta baixa de um modelo de câmara de carga. 
 
Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
 
 
 
 
 
 
 
 
28 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Figura 5: Corte lateral de um modelo de câmara de carga. 
 
Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
2.4.6 Chaminé de Equilíbrio 
É uma estrutura de concreto construída no conduto forçado, quando necessário, a chaminé 
de equilíbrio deve ser instalada o mais próximo possível da casa de força, para reduzir o 
comprimento do conduto forçado e diminuir os efeitos do golpe de aríete (ELETROBRÁS, 2000). 
A Figura 6 ilustra um modelo de chaminé de equilíbrio. 
 E suas principais finalidades são: 
 Amortecer as variações de pressão, que se propagam pelo conduto forçado, golpe de aríete, 
decorrente do fechamento rápido da turbina; 
 Armazenar água para fornecer ao conduto forçado o fluxo inicial provocado pela nova 
abertura da turbina, até que se estabeleça o regime contínuo. 
 
 
 
 
29 
 
______________________________________________________________________________Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Figura 6: Corte longitudinal de um modelo de chaminé de equilíbrio 
 
Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
 
2.4.7 Conduto forçado 
O conduto forçado é construído de aço com reforçadores e apoios desenhados para esforços, 
incluindo possíveis golpes do martelo de água, resistência a solicitações constantes e a forças por 
mudanças de direção. O conduto parte da câmara de carga e leva a água ao edifício da usina e a 
turbina instalada (ELETROBRÁS, 2000). 
A espessura do conduto é calculada em função da vazão, com velocidades máximas de 4 a 
5 m/s, e tem uma espessura mínima de 5 a 6mm. É necessário levar em conta no dimensionamento 
do diâmetro as perdas de carga no próprio conduto. Estas perdas diminuem com o aumento do 
diâmetro, mas ao mesmo tempo aumentam o custo (ADRADA, T., MANCEBO, J.A. e 
MARTINEZA, C.,2013). 
2.4.8 Túnel de Adução 
Quando a casa de força da PCH não é incorporada ao barramento, poderá ser cogitada a 
adução das vazões através de túnel. Essa opção, habitualmente, será considerada nos seguintes 
casos: 
30 
 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
 Quando a topografia for desfavorável à adução em canal ou conduto de baixa pressão 
(ELETROBRÁS, 2000); 
 Quando a rocha no trecho a ser atravessado pelo túnel se mostrar de boa qualidade, de baixa 
permeabilidade e sem suspeita de ocorrência de materiais erodíveis ou solúveis 
(ELETROBRÁS, 2000); 
 Quando houver suficiente cobertura de rocha ao longo da diretriz prevista para o túnel 
(ELETROBRÁS, 2000); 
 Quando houver solução econômica para a implantação de uma chaminé de equilíbrio (se 
esse dispositivo se mostrar necessário) (ELETROBRÁS, 2000). 
2.4.9 Casa de força 
Neste que estão abrigados a turbina, o gerador, quadros elétricos de controle, sistema de 
regulação, válvula de guarda e de desvio e o sistema de descarga ao rio. Normalmente a casa de 
máquinas deve ficar situada um pouco acima do nível de cheia do rio (NOGUEIRA, F., FILHO, 
G., 2007). 
A casa de força geralmente é construída ao lado do rio ao qual a água voltara. E deverá ser 
projetada dependendo do tipo e número de máquinas a serem utilizadas e o tamanho das mesmas. 
É comum possuir um guindaste de ponte, ainda que em alguns casos pode ser suficiente um 
guindaste portátil durante a montagem e operações de manutenção. Deve-se considerar também 
que, devido ao tamanho e viabilidade da instalação, a usina somente será visitada ocasionalmente 
(ADRADA, T., MANCEBO, J.A. e MARTINEZA, C.,2013). 
Deve-se prever uma ponte rolante para os trabalhos de montagem e desmontagem em 
manutenções programadas. Há necessidade de se ter uma sala para o centro de operações 
(ELETROBRÁS, 2000). 
Segundo (ADRADA, T., MANCEBO, J.A. e MARTINEZA, C.,2013) a localização do 
edifício responde a uma seleção meticulosa baseada no projeto da central. Basicamente procura-
se: 
 Facilidade para a entrada do conduto forçado; 
31 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
 Capacidade para alojar todos os componentes; 
 Facilidade para a aspiração e descarga; 
 Cumprimento das normas relativas a este tipo de instalações, incluída a legislação 
ambiental; 
 Minimizar o custo de implantação como medida para garantir a viabilidade da exploração. 
2.4.10 Canal de Fuga 
É um canal que tem por objetivo devolver a água que foi utilizada na geração ao leito 
original do rio (NOGUEIRA, F., FILHO, G., 2007). 
O seu dimensionamento será sempre preservado pelo tipo e dimensões da casa de força e 
pela distância entre a casa de força e o rio. Quando esse canal for escavado em rocha, deverá 
procurar reduzir a sua escavação no dimensionamento hidráulico, sem provocar um aumento das 
perdas de carga (ELETROBRÁS, 2000). 
 TURBINAS HIDRÁULICAS 
As turbinas hidráulicas utilizadas nas PCH devem ser escolhidas de modo a se obter 
facilidade de operação e de manutenção, dando-se grande importância à sua robustez e 
confiabilidade, pois a tendência é de que a usina seja operada no modo não assistido 
(ELETROBRÁS, 2000). 
Segundo (FILHO, G., NOGUEIRA, F., 2007), sobretudo existem dois tipos de turbinas 
hidráulicas: as de ação e as de reação. 
Nas turbinas de ação, a energia hidráulica disponível é transformada em energia cinética 
para, depois de incidir nas pás do rotor, transformar-se em mecânica: tudo isto ocorre à pressão 
atmosférica. Classificam-se como turbinas de ação: as turbinas Pelton com um ou mais jatos, a 
turbina de Fluxo Cruzado, Michell–Banki, e a turbina Turgo. 
Nas turbinas de reação o rotor é completamente submergido na água. Com o escoamento 
da água, ocorre uma variação de pressão e de velocidade no escoamento, entre a entrada e a saída 
32 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
do rotor. São classificadas como turbinas de reação: a Francis, a hélice e a Kaplan, com suas 
variantes. 
Através da análise das condições de vasão, queda líquida, altitude do local, conformação 
da rotação da turbina com a do gerador e altura de sucção, no caso de máquinas de reação, que se 
verifica qual tipo de turbina se adequa. Basicamente o uso das turbinas hidráulicas se concentra no 
tipo Peltron, nas maquinas de ação; e Francis e Kaplan, para as maquinas de reação 
(ELETROBRÁS, 2000). A Figura 7 ilustra a aplicação de turbinas conforme a descarga e queda. 
Figura 7: Aplicações das turbinas em função da queda e descarga 
 
Fonte: ELETROBRÁS, 2000 
33 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
2.5.1 Turbina Pelton 
A turbina Pelton foi criada pelo americano Allan Lester Pelton. Em 1878 iniciou 
experimentos evolvendo rodas d’água que o conduziram a invenção de um novo conceito de rodas 
d’água baseadas no chamado “splitter”. 
São turbinas de ação e escoamento tangencial. Operam com altas quedas de 350 até 1.100 
metros, e baixas vazões. Pode ter um rendimento de 94%. Este modelo de turbina é constituído por 
um rotor dotado de pás em forma de conchas na qual a energia é transferida do rotor através da 
ação do jato de agua que sai do injetor e bate sobre as pás. O principal problema é o desgaste nas 
pás que devido à alta velocidade causa ao chocar-se no rotor (FILHO, G., NOGUEIRA, F., 2007). 
A Figura 8 mostra o uma turbina Pelton no qual um único injetor é utilizado, embora possam 
ser utilizadas múltiplos injetoras para direcionar a água em direção as pás. 
Figura 8: Rotor Pelton com bocal injetor 
 
Fonte: Industrial Consultancy Services, 2017 
Essas turbinas podem ser de eixo vertical ou horizontal e podem ter até 6 jatos d’água. Na 
Figura 9 podemos ver uma turbina Peltron com 5 jatos. 
 
 
 
34 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Figura 9: Turbina Pelton de 5 jatos 
 
Fonte: Voith Hydro Power, 2017 
A regulação da velocidade da turbina Peltron é realizada fazendo-se o ajuste do fluxo da 
água nos injetores através das válvulas de agulha, a qual varia a abertura do injetor deslocando-a 
longitudinalmente (COSTA, 2013) 
A Figura 10 ilustraeste esquema, pode-se comparar como as regulagens de algumas 
mangueiras de jardim. 
 
 
 
 
 
 
35 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Figura 10: Injetor e válvula-agulha de uma turbina Peltron 
 
Fonte: COSTA,2013 
2.5.2 Turbina Francis 
No ano de 1874, nos EUA, o engenheiro Inglês James Bicheno Francis (1815-1892), foi 
encarregado de estudar uma turbina para o aproveitamento energético do desnível de um rio. No 
qual focou seus interesses na máquina centrípeta de Samuel Dowd (1804-1879). As modificações 
que ele fez no equipamento foram tão significativas que a turbina acabou ganhando seu nome, 
ficando então conhecida como turbina Francis. 
As turbinas Francis utilizam o tubo de sucção para conduzir a água da saída do rotor até o 
poço. Com isso a água escoa de uma forma contínua ao invés de ser descarregada livremente na 
atmosfera, implicando assim em um ganho na energia cinética na saída do rotor e também um 
ganho topográfico entre a saída do rotor e o nível da água no poço. Na Figura 11 podemos observar 
uma turbina Francis (JUNIOR, 2015). 
 
 
 
 
 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Figura 11: Turbina Francis 
 
Fonte: Voith Hydro Power, 2017 
As Turbinas Francis são turbinas com escoamento radial (lenta e normal) e escoamento 
misto (rápida). Ideais para quedas de 15 a 250 metros. Pode alcançar rendimentos de 85 a 93%. 
Elas podem estar inseridas em uma caixa espiral, ou, em instalações de menor porte, sem caixa 
espiral, em caixas cilíndricas ou em um poço de caixa aberta (FILHO, G., NOGUEIRA, F., 2007). 
As turbinas Francis podem ser construídas com eixo horizontal, a qual se torna mais 
econômica pois se tem uma casa de força menor; e a de eixo vertical que atingem um rendimento 
melhor em maiores tamanhos e em menor quantidade (AZEVEDO, 2008). 
A distribuição da água sobre as pás do rotor é feita por meio de pás diretrizes, que são 
controladas externamente as quais distribui simétrica e simultaneamente a água sobre as pás do 
rotor (JUNIOR, 2013). 
2.5.3 Turbina Kaplan 
Como a turbina Francis tinha algumas deficiências sob quedas baixas, ouve então a 
invenção das turbinas de hélices. Nesse tipo de turbina o rotor é constituído por um núcleo central, 
37 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
fixo a extremidade da árvore principal, o qual sustenta um pequeno número de pás em forma de 
hélice (SCHREIBER, 1977). A Figura 12 ilustra a turbina Kaplan. 
Figura 12: Turbina Kaplan 
 
Fonte: Voith Hydro Power, 2017 
As turbinas-hélices são divididas em pás fixas ou ajustáveis. As turbinas com pás fixas têm 
sua curva de rendimento muito aguda, sendo assim, se a carga for um pouco menor ou maior que 
a do ponto ótimo, já temos uma rápida caída de rendimento. Já para as turbinas Kaplan com pás 
ajustáveis não se tem esse defeito (SCHREIBER, 1977). 
As turbinas Kaplan são utilizadas para baixas quedas e altas descargas. Quando as turbinas 
Kaplan são projetadas com eixo horizontal, elas são classificadas da seguinte forma: 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Turbinas tubulares: O receptor de pás fixas ou orientáveis é colocado num tubo por onde a 
água corre, e o eixo, horizontal ou inclinado, aciona um alternador colocado externamente ao tubo 
(MACINTYR,1990). 
A turbina tubular atende quedas de 4 a 25m e potências entre 500 e 5000 kW para vazões 
de até 22,5m³/s, e possui excelentes características de operação, mesmo com cargas parciais. Se 
adicionarmos um distribuidor regulável, caracterizando assim uma turbina de dupla regulação, a 
faixa de operação irá de 100% até 20% de carga nominal (ELETROBRÁS, 2000). 
As turbinas tubulares, também conhecidas como turbinas Kaplan “S”, são instaladas, 
podendo ser do tipo jusante (Figura 13), saxo (Figura 14) ou montante (Figura 15). 
Figura 13: Modelos construtivos de Kaplan “S” jusante 
 
Fonte: ANTLOGA, e VASCONCELLOS, 2007 
 
 
 
 
 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Figura 14: Modelos construtivos de Kaplan “S” saxo 
 
Fonte: ANTLOGA, e VASCONCELLOS, 2007 
 
Figura 15: Modelos construtivos de Kaplan “S” montante 
 
Fonte: ANTLOGA, e VASCONCELLOS, 2007 
 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Turbinas Bulbo: Nessa turbina existe uma espécie de bulbo, colocado no interior do tubo 
adutor da água. No interior do bulbo, que é uma câmara blindada, pode existir um sistema de 
transmissão por engrenagens, para transmitir o movimento da hélice ao alternador, e/ou, como 
existem nos modelos aperfeiçoados, no interior do bulbo fica o próprio gerador elétrico 
(MACINTYR, 1990). 
A turbina bulbo dispensa a caixa em caracol e o trecho vertical do tubo de sucção. O espaço 
ocupado em planta. Para um mesmo diâmetro de rotor, a turbina bulbo absorve uma descarga maior 
que as Kaplan, resultando daí maior potência a plena carga (MACINTYR, 1990). A Figura 16 
demostra um projeto de turbina bulbo. 
Essa turbina opera em quedas de 4 a 12 m com uma potência de até 1700 kW, e é utilizada 
como alternativa a turbina tubular, incluindo multiplicador de velocidade, que permite que o 
gerador fique com eixo a 90º do eixo da turbina. O limite de potência se deve mais ao multiplicador 
de velocidade do que a própria turbina (ELETROBRÁS, 2000). 
Figura 16: Projeto de turbina bulbo 
 
Fonte: ANTLOGA, e VASCONCELLOS, 2007 
 
 
41 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
3 PCH GUARITA 
A PCH Guarita está localizada no rio Guarita. A localização da PCH tem as coordenadas 
de 27º 36' 24,7" S de latitude e 53º 34' 26,6" W de longitude. A barragem se encontra na divisa 
entre os municípios de Erval Seco e Redentora no estado do Rio Grande do Sul. A casa de força 
está localizada em Erval Seco. A PCH Guarita pertence a CEEE-GT e entrou em operação no ano 
de 1953, o que corresponde a 64 anos de operação. 
A usina dispõe de uma potência instalada da ordem de 1,7 MW, sendo um grupo gerador. 
Esse grupo tem rendimento estimado de 69,8% e é formado por uma turbina Francis eixo horizontal 
e um gerador. 
A Figura 17 apresenta uma visão do terreno onde se localiza a PCH Guarita em conjunto 
com os principais elementos da PCH. A barragem está localizada na parte inferior da Figura 17, já 
a casa de força está localizada na parte superior. 
Figura 17: Localização dos principais elementos da PCH Guarita 
 
Fonte: Software Google Earth, 2017 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
 ESTRUTURAS EXISTENTES 
As estruturas que compõem o arranjo são: barragem, tomada d’água, túnel de adução,chaminé de equilíbrio, tubulação forçada, casa de máquinas e canal de fuga. Estas serão 
comentadas a seguir: 
3.1.1 Barragem 
A barragem é construída em concreto ciclópico, com um comprimento de crista de 100m. 
A Figura 18 abaixo apresenta a vista da barragem. O comprimento de crista corresponde 
aproximadamente ao comprimento total na direção perpendicular ao rio. A altura máxima da 
barragem sobre o nível do solo é de 7m, mas a altura na região do vertedouro é de 4m. 
Figura 18: Vista a montante da barragem 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
A Figura 19 apresenta uma vista do vertedouro que é do tipo soleira livre, sendo a cota da 
soleira igual ao nível máximo normal a montante. Verterá pelo vertedouro toda a água que chegar 
ao reservatório e estiver acima desse nível. Essa vazão é vertida porque está adiante da capacidade 
máxima projetada. Mas ainda não é a capacidade limite da barragem. O vertedouro tem 
comprimento de 60 metros e capacidade de vazão de 560m³/s 
Figura 19: Vista a jusante da barragem 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
3.1.2 Tomada d’água 
Esta estrutura foi construída junto a barragem. Pode-se perceber que a grade que protege o 
sistema eletromecânico, é dividida em duas partes, uma com um espaçamento maior e outra com 
espaçamento menor entre as grades, isso que serve para limitar a entrada de sedimentos e efluentes 
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oriundos do rio. A limpeza é feita manualmente pelo operador através de ferramenta adequada. As 
Figuras 20 e 21 ilustram a tomada d’água existente na PCH. 
Figura 20: Vista de montante da tomada d’água com grades de espaçamento maior. 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
 
 
 
45 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Figura 21: Vista de montante da tomada d’água com grades de espaçamento menor 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
3.1.3 Túnel de Adução 
O túnel de adução tem comprimento de 960m e seção de 2,55m. O túnel conduz a água até 
o ponto mais próximo da casa de força. A Figura 22 mostra a parte inicia do túnel de adução 
existente na PCH. 
 
 
 
 
 
46 
 
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Figura 22: Vista da parte inicial do túnel de adução 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
3.1.4 Chaminé de Equilíbrio e Conduto forçado 
A chaminé de equilíbrio tem um diâmetro de 8m e altura de 18,75m, já o conduto forçado 
tem diâmetro de 1,7m e comprimento de 76m. O desnível atualmente aproveitado é medido entre 
o nível de água dentro da chaminé de equilíbrio, e o nível de água a jusante da casa de máquinas. 
Esse nível tem o valor de 43,45m, já descontando as perdas de carga. A Figura 23 mostra a chaminé 
de equilíbrio e a Figura 24 ilustra a tubulação forçada da PCH Guarita. 
47 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Figura 23: Vista da Chaminé de Equilíbrio 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
 
 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Figura 24: Vista da tubulação forçada 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
3.1.5 Casa de força 
A casa de máquinas construída em alvenaria, com aproximadamente 235,04 m², abriga o 
grupo gerador, atuando em uma queda bruta de 47,23 metros. O gerador foi instalado em 1953. O 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
grupo gerador, em função da alta potência, se caracteriza pelas máquinas serem robustas. Foram 
construídos na posição horizontal. A Figura 25 ilustra a casa de máquinas. 
Figura 25: Vista da casa de máquinas 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
3.1.6 Turbina e Gerador 
A turbina utilizada é do tipo Francis, e a sua potência nominal unitária é de 2 MW com uma 
vazão nominal unitária é de 5,78m³/s. A rotação síncrona da turbina é de 450 rpm. 
O gerador tem potência nominal unitária de 2,2 MVA e uma tensão nominal de 8 kV com 
um fator de potência de 0,8. A rotação nominal do gerador é de 450 rpm. Por serem equipamentos 
antigos e robustos, estima-se que o rendimento do grupo turbina-gerador está em torno de 69,8%. Na 
Figura 26 é apresentado a turbina hidráulica e o gerador síncrono utilizados na PCH Guarita. 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Figura 26: Turbina Hidráulica e Gerador 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
Segundo o estudo energético, a potência nominal da PCH é de 1,76 MW, mas a energia 
firme é de 1,10 MW. 
3.1.7 Canal de Fuga 
O canal de fuga tem 20 m de extensão, e foi construído em curva para devolver a água ao 
rio aproximadamente na mesma direção em que segue a vazão remanescente, como mostra a Figura 
27. 
 
 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Figura 27: Vista da casa de máquinas 
 
Fonte: Autoria Própria, 2017 
 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
4 REPOTENCIALIZAÇÃO 
A repotencialização da PCH Guarita localizada no município de Erval Seco - RS, tem como 
sua principal finalidade o aumento da potência instalada e da energia gerada. Na qual é feita uma 
análise de estudos hidrológicos e hidro energéticos, realizando a partir daí os cálculos e projetos 
para o melhor aproveitamento da usina. 
Tipos de repotencialização: 
 ALTEAMENTO DA BARRAGEM 
O princípio básico do alteamento da barragem é o de aumentar a queda líquida do 
aproveitamento, e proporcionalmente aumentar a potência instalada. 
O alteamento da barragem nada mais é do que aumentar a queda líquida do aproveitamento. 
Para o alteamento da barragem é necessário determinar os níveis de alagamento, com uma precisão 
topográfica para não haver possíveis impactos ambientais, no que acarretaria na não viabilização 
do projeto devido a altos custos com indenizações. 
Para essa modificação na barragem é preciso tomar alguns cuidados durante a obra, entre 
eles priorizar épocas de estiagem, fazer um desvio pela ombreira do rio e também utilizar uma 
comporta para esvaziar o reservatório para tal modificações. 
Apesar de ser uma obra relativamente impactante no sentido energético, o projeto não 
impõe muitas alterações na estrutura original na usina, não gerando grandes impactos ambientais. 
 TROCA DO GRUPO-GERADOR 
Essa é uma alternativa relativamente simples, pois não será necessário fazer grandes 
modificações estruturais, e também pode ser vantajoso, pelo ponto de vista energético, realizar asubstituição dos equipamentos já que atualmente os geradores atingem rendimentos superiores a 
96%. Com essa troca, se pode ter um melhor rendimento do conjunto, aumentando a potência 
instalada. O único cuidado necessário é fazer uma avaliação financeira do empreendimento. 
 NOVAS TURBINAS 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
É um projeto de maior ambição e proporcionalmente um projeto que terá um custo de 
investimento maior, pois serão necessárias alterações nas tubulações e também na casa de força, 
adequando os mesmos para receber as turbinas novas. 
A atualização e modernização da usina com a substituição dos equipamentos antigos e 
colocando novos grupo Turbina – Gerador, poderá ser umas das repotencializações que poderá dar 
um retorno mais rápido dos investimentos. 
 ANÁLISE HIDROENERGÉTICA 
É possível fazer a análise hidroenergética com base em dois aspectos que são: energia ativa 
adquirida e a demanda de potência ativa na ponta, que nada mais é do que estimar quanto 
efetivamente vai haver de aumento de energia gerada em cada caso. 
O aumento da potência instalada, mantendo o fator de capacidade, tem-se o aumento da 
energia firme, (ELETROBRÁS, 2000) conforme a equação 4: 
 
 
 
(4) 
Onde: 
Fc: É o fator de capacidade; 
Efe: É a energia firme (MW médios) considerando-se a vazão (Q) e a queda líquida (Hliq) 
constantes durante o funcionamento da usina (1 MW médio = 8.760 MWh por ano, durante a vida 
útil da usina); 
Pot: É a potência instalada (W); 
Para os cálculos de perdas serem precisos é necessário realiza-los por etapas, considerando 
cada elemento, estrutura, componente do sistema de geração e possíveis variações de queda e 
descarga. No caso em estudo, serão utilizados os parâmetros de queda bruta e líquida já pré-
definidos, já descontados as perdas de carga. 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
O termo potencial hidráulico significa a energia cinética ou potencial da água dos rios e 
lagos que se concentra nos aproveitamentos hidrelétricos e é transformada em energia mecânica e, 
finalmente em energia elétrica (SCHREIBER, 1977) 
Em um aproveitamento hidrelétrico, a potência efetiva é dada por (SCHREIBER, 1977): 
 
 
 
(5) 
Onde: 
P = Potência efetiva ou potência instalada; 
Q = Descarga ou vazão (m³/s); 
n = Rendimento grupo turbina-gerador (unidade adimensional); 
9,81 = Aceleração da gravidade (m/s²); 
4.4.1 Alteamento da Barragem 
Com o aumento da barragem em 1 metro, a queda bruta total do aproveitamento fica 
estimada em 48,23 metros. Destes, 8% (3,85 metros) são considerados perdas de carga, 
consideradas bastante pessimistas em relação aos valores usuais. 
Com o aumento da altura da barragem pode-se aumentar a potência instalada 
repotencializada e a energia firme do aproveitamento, conforme a análise da equação 5: 
 P = 9,81*0,698*5,78*44,45 
 
(5) 
P = 1.759,23 kW 
Como é possível perceber, a potência foi aumentada dos 1.719,65 kW instalados para 
1.759,23 kW repotencializados. A diferença, vista na equação 6, é o valor do ganho de potência 
instalada. 
 Dpi = Pr – Pi (kW); (6) 
Onde: 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Pr = Potência repotencializada (kW); 
Pi = Potência instalada (kW); 
Dpi = É a diferença entre a potência instalada e potência repotencializada (kW); 
 Dpi = 1.759,23 – 1.719,65 = 39,58 kW (6) 
Utilizando um fator de capacidade de 0,65, e substituindo a diferença entre potência 
instalada e potência repotencializada na equação 7, tem-se: 
 Efe = 0,65*39,58 = 25,73 kWh médios (7) 
 
Com esse valor obtido pela equação 7, se tem um valor estimado de quanto a PCH estará 
produzindo a mais. Multiplicando esse valor pelas horas do dia, e pelos dias do mês, resultara na 
quantia de potência média gerada durante o mês, conforme a equação 8: 
 Efe mensal = Efe*horas*dias (8) 
Onde: 
Efe mensal = Energia firme mensal (kW médios mensais); 
Efe = Energia firme (kWh médios) 
 Efe mensal = 25,73*24*30 (8) 
 
Efe mensal = 18.525,6 kW médios mensais 
Os resultados da equação (8) poderão ser descontados da energia mensal contratada. O 
custo da unidade do kWh é de 0,0868956 (base de referência: Nota Técnica n° 193/2017-
SGT/ANEEL). É importante ressaltar que o cálculo é realizado apenas sobre a energia ativa 
contratada, não considerando os valores de descontos, e acréscimos existentes na base de dados 
referenciados. A equação (9) demonstra o valor em moeda corrente que efetivamente poderia ser 
descontado com os estudos realizados. 
 Dm = Efemensal * Cd (9) 
 
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Marcelo Schmitz Neumann (marceloneumitz@hotmail.com). Trabalho de Conclusão de Curso. Ijuí 
DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Onde: 
Dm: É o desconto mensal; 
Efe: É a energia firme mensal (kWh médios mensais); 
Cd: É o custo da energia mensal contratada em kWh (R$); 
Substituindo, vem: 
 Dm = 18.525,6 * 0,0868956 (9) 
 Dm = R$ 1.609,79 (mensais); 
Considerando que o custo de operação e manutenção fique na faixa de 4 % (R$ 64,39) da 
receita, o desconto mensal fica em torno de R$ 1.545,40. 
4.4.2 Troca do Grupo Gerador 
Com a troca dos geradores, estima-se que é possível aumentar o rendimento do grupo 
turbina gerador dos 69,8 % atuais para 88%. Substituindo o rendimento do grupo turbina-gerador, 
juntamente com os demais parâmetros previamente definidos na equação 5, temos: 
 P = 9,81*0,88*5,78*43,45 (5) 
P = 2.168,05 kW 
Como se percebe, a potência foi aumentada dos 1.719,65 kW instalados para 2.168,05 kW 
repotencializados. A diferença, vista na equação 6, é o valor do ganho de potência instalada. 
 Dpi = 2.168,05 – 1.719,65 (6) 
Dpi = 448,4 kW 
Utilizando um fator de capacidade de 0,65, e substituindo a diferença entre potência 
instalada e potência repotencializada na equação 7, vem: 
 Efe = 0,65*448,4 (7) 
57 
 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
Efe = 291,46 kWh médios 
Com esse valor obtido pela equação 7, tem-se um valor estimado de quanto a PCH estará 
produzindo a mais. Multiplicando esse valor pelas horas do dia, e pelos dias do mês, resultara na 
quantia de potência média gerada durante o mês, conforme a equação 8: 
 Efe mensal = 291,46*24*30 (8) 
Efe mensal = 209.851,2 kW médios mensais 
A energia firme mensal calculada poderá ser descontada da energia mensal contratada, 
reduzindo os custos conforme demonstrado no item 4.4.1. A substituição dos parâmetros na 
equação (9) demonstra o valor em moeda corrente que efetivamente poderia ser descontado com 
os estudos realizados. 
 Dm = 209.851,2 * 0,0868956 (9) 
Dm = R$ 18.235,15 (mensais); 
Considerando que o custo de operação e manutenção fique na faixa de 4 % (R$ 729,40) da 
receita, o desconto mensal fica em torno de R$ 17.505,74. 
4.4.3 Novas turbinas 
O investimento de maiores alterações físicas que será analisado é novo sistema de geração 
através da instalação de duas novas turbinas. Com esse sistema, o empreendimento possibilitará 
gerar maior quantidade de energia, gerando energia através de duas turbinas Francis com 
rendimentos de 88%, utilizando uma vazão de projetode Q =5m³/s para cada turbina, 
disponibilizando uma potência máxima na ordem de 3,75 MW. 
Através da substituição dos parâmetros Q = 5 m³/s, n = 0.88, H = 43,45m na equação (5), 
percebe-se que a potência instalada poderia ser na ordem de 1.875,47 kW por turbina, valores estes 
superiores aos valores existentes. 
Com a instalação das turbinas, a usina passa a ter um acréscimo na energia de 2.031,30 kW 
médios. Multiplicando esse valor pelas horas do dia, e pelos dias do mês, resultara na quantia de 
potência média gerada durante o mês, conforme a equação 8: 
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 Efe mensal = 2.031,30*24*30 (8) 
Efe mensal = 2.031,30*24*30 = 1.462.536 kW médios mensais 
A energia mensal calculada poderá ser descontada da energia mensal contratada, reduzindo 
os custos conforme demonstrado no item 4.4.1. A substituição dos parâmetros na equação 9 
demonstra o valor em moeda corrente que efetivamente poderia ser descontado com os estudos 
realizados. 
 Dm = 1.462.536 * 0,0868956 (9) 
Dm = R$ 127.087,94 (mensais); 
Considerando que o custo de operação e manutenção fique na faixa de 4 % (R$ 5.083,51) 
da receita, o desconto mensal fica em torno de R$ 122.004,42. 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
CONCLUSÃO 
No senário atual mundial a população está consciente da necessidade da preservação 
ambiental para a manutenção da vida no planeta. Sabendo assim que as grandes hidrelétricas 
causam um maior impacto ambiental nas regiões implantadas. 
As PCHs têm um papel significativo como fontes alternativas de energia. Além de ser uma 
fonte limpa e renovável, têm como principais benefícios para os empreendedores o menor impacto 
ambiental. 
Apesar da evolução dos estudos, técnicas e tecnologia, para se ter um estudo com resultados 
mais precisos é necessário utilizar várias metodologias, analisando estudos anteriores e assim 
compara-los. A melhor escolha de aproveitamento depende diretamente dos estudos iniciais, 
interpretando a melhor forma que vai se adequar na central hidrelétrica. Essas escolhas vão 
determinar diretamente nos resultados de rendimento. 
O conhecimento do local onde se encontra o empreendimento é importante na hora de 
analisar os projetos e tomar as decisões. Existem características que nem sempre podem ser vistas 
apenas por estudos, levantamentos ou imagens. Uma visita com caráter técnico ao local tem 
extrema importância. 
Deve-se sempre estar atento a novos equipamentos e novas técnicas de utilização destes. A 
avaliação econômica deve estar sempre sendo analisada em grandes investimentos, para nunca 
fazer um grande investimento que não trará retorno durante a vida útil do equipamento, dedicando 
assim uma boa parte do estudo as avaliações econômico-financeiras. 
Avaliando a central hidrelétrica do Guarita e seu funcionamento atual foi possível verificar 
que a mesma já estava com uma defasagem de geração de energia muito grande, e com isso foi 
possível iniciar o estudo para traçar um cenário de algumas possibilidades de repotencialização. 
Após algumas pesquisas e leituras se deu início a remodelagem do projeto existente, sempre 
com o intuito de qualificar e readequar a PCH. Foi definido 3 formas a repotencialização as quais 
são: alteamento da barragem, troca do grupo gerador e instalação de novas turbinas. 
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DCEENG/UNIJUÍ, 2017 
Nas alternativas analisadas nesse trabalho, todos os estudos trouxeram resultados 
satisfatórios. No entanto observa-se que o esquema que analisa a repotencialização através da 
instalação de duas novas unidades turbina, é o que trará maior benefício energético para a região. 
Apesar de não possuir o valor do custo de implementação dos mesmos, acredita-se que as receitas 
do empreendimento darão condições de quitar a dívida num menor tempo, se comparado as 
alternativas. 
Para trabalhos futuros sugere-se: 
- Avaliação econômica financeira complexa; 
- Realizar um estudo hidrológico; 
- Realizar ampla pesquisa bibliográfica normativa junto ao órgão regulador; 
- Verificar orçamento junto a fabricantes; 
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Estudo de Repotencialização de uma Pequena Central Hidrelétrica 
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