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Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica EELET.10N1 Aula 04 Prof. Edgard Pereira Cardoso 2/2014 Centro Universitário Newton de Paiva Instituto de Ciências Exatas Escola de Engenharia Elétrica 1 Geração de Energia Elétrica 2 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Introdução: Potência Elétrica 3 • A potência elétrica é normalmente medida em watt [W], quilowatt [kW], megawatt [MW], etc. Ou seja, potência é a quantidade de energia transferida por unidade de tempo; • A potência pode ser medida em qualquer instante de tempo, enquanto a energia precisa ser medida em um intervalo de tempo, como um segundo, uma hora, um ano, etc. Introdução: Potência Elétrica 4 • Por exemplo: Uma turbina ou gerador possuem uma potência nominal de 600 quilowatts [kW], significa que aquela turbina pode produzir 600 quilowatts hora [kW.h] de energia por hora de operação, trabalhando no ponto máximo de eficiência. Nota: As potências dos motores de automóveis são geralmente medidas em cavalos e não em kW. A unidade “cavalo vapor” da uma idéia intuitiva de quanto “músculo” o gerador ou motor possui, enquanto a energia da uma idéia de quanto um motor ou gerador “trabalhou” durante um período de tempo. Unidades de potência : 1 kW = 1.359 CV - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Introdução: Geração 5 • A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de energia em energia elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas: Na 2ª etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia cinética de rotação em energia elétrica Na 1ª etapa uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, normalmente hidráulica ou térmica, em energia cinética de rotação. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Geração 6 • Uma turbina hidráulica transforma a energia potencial da água em desnível, em energia cinética de rotação que é transferida a um eixo acoplado a um gerador. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cogeração 7 • Cogeração de energia é definida como o processo de produção combinada de calor e energia elétrica (ou mecânica), a partir de um mesmo combustível, capaz de produzir benefícios sociais, econômicos e ambientais • A atividade de cogeração contribui efetivamente para a racionalização energética, uma vez que possibilita maior produção de energia elétrica e térmica a partir da mesma quantidade de combustível. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cogeração 8 • Diferentemente da geração, na cogeração a energia térmica, ou outro tipo de energia, é utilizado diretamente nos processos de manufatura, tais como fornos, caldeiras, dentre outros. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Cogeração 9 • Produção de Etanol , Energia Elétrica e Açúcar - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 10 Fontes de Energia • Aquela cuja velocidade de reposição natural é inferior à velocidade de sua utilização pela humanidade; Não Renováveis • Apresentam uma característica exaurível (finita), de utilização. Ex: carvão mineral e seus derivados, o petróleo e derivados, o gás natural, xisto, turfa, e o urânio; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 11 Fontes de Energia Não Renováveis • São resultados de um processo que leva milhões de anos para converter luz do sol em hidrocarbonetos. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 12 Fontes de Energia • Aquela cuja velocidade de reposição natural é superior à velocidade de sua utilização; Renováveis - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 13 Fontes de Energia • Apresentam uma característica de utilização infinita. Exemplo: a energia solar, a hidráulica, a eólica, dos oceanos (onda, maré e correntes marítimas), o carvão vegetal, quando renovado por ações de reflorestamento, a biomassa (lenha, resíduos agrícola), o biocombustível (etanol, biodiesel e óleos vegetais), o biogás, a energia geotérmica, Renováveis - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 14 Fontes de Energia Renováveis Não Renováveis - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 15 Matriz Energética Global Renováveis Não Renováveis - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 16 Matriz Energética – Brasil em 2010 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Sistemas de Geração de Energia Elétrica 17 18 Sistemas de Geração de Energia Elétrica • O sistema de geração é formado pelos seguintes componentes: Máquina primária; Geradores; Transformador; Sistema de controle, comando e proteção. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 19 Sistemas de Geração de Energia Elétrica Faz a transformação de qualquer tipo de energia em energia cinética de rotação para ser aproveitada pelo gerador. Exemplos: Motor Diesel, turbina hidráulica, a vapor, a gás e eólicas. • Maquina Primária • Geradores: Gerar a energia elétrica ou reativos para sistema (síncrono); - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 20 Sistemas de Geração de Energia Elétrica Gerada a energia elétrica, existe a necessidade de se compatibilizar o nível da tensão de saída com a tensão do sistema ao qual o grupo gerador será ligado. • Transformadores - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 21 Sistemas de Geração de Energia Elétrica • Controle, Comando e Proteção Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição são necessários: controle da tensão de saída do gerador (+/- 10%); Sincronismo com a rede; Comandar o fechamento/abertura da linha. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 22 Esquema Unifilar de Usina de Geração • Bombas; • Ventiladores, • Servomecanismo dos geradores; • Compressores, - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 23 Classificação das Usinas de Geração • As usinas de geração são definidos devido as três tipos de demanda de energia: Base; Intermediária ; Ponta (Pico). - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 24 Classificação das Usinas de Geração • Usina de Base: Gera continuamente a plena carga. Ex.: Usina Nuclear, Usina Térmica à Carvão e Hidráulica • Usina de Potência Intermediária Responde relativamente rápida às mudanças de demanda, em geral, pela adição ou retirada de unidades geradoras. Ex.: Usinas Hidráulicas - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 25 Classificação das Usinas de Geração • Usina de Ponta: São colocadas em operação em períodos de demanda alta; Entregam potência durante pequenosintervalos durante o dia; São usinas de custo elevado porque permanecem na maior parte do tempo paradas. Ex.: Usinas de armazenamento por bombeamento geradores a diesel, turbinas a gás. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 26 Localização das Usinas de Geração • A localização física das usinas de geração deve ser cuidadosamente planejada: • Próxima à fonte primária de energia e uso das linhas de transmissão para o transporte da energia. Ex.: Minas de carvão; cachoeiras, rios. 27 Localização das Usinas de Geração • Próxima ao centro de carga, com transporte do recurso energético primário até a usina de geração. Ex.: Transporte de carvão, urânio, petróleo e gás por navio, trem ou dutos. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 28 Comparativo entre formas de Geração Elétrica: - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 29 Usinas de Geração de Energia Elétrica: • A produção de energia elétrica é caracterizada por processos do tipo: Eletromecânico: Hidráulico Térmico Eólico Maremotriz Químico. Fotovoltaico; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Geração Hidrelétrica de Energia Elétrica 30 31 Introdução: • Utiliza o movimento e a queda d’água de rios para geração de energia elétrica; • Normalmente constroem-se diques que represam o curso da água, acumulando-a num reservatório que se chama barragem. Esse tipo de usina hidráulica é denominado usina com reservatório de acumulação. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 32 • Em outros casos, existem diques que não param o curso natural da água, mas a obrigam a passar pela turbina de forma a produzir eletricidade, denominando-se usinas a fio de água; Introdução: - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 33 Geração Hidráulica - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 34 Geração Hidráulica • O conjunto turbina-gerador gira a velocidades relativamente baixas, de 50 a 300 rpm, quando comparadas às turbinas a vapor; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 35 Geração Hidráulica Termoelétricas - Rotor Polos Lisos n p Turbina a gás: 1800 rpm – 4 pólos • O número de par de polos dos geradores é relativamente grande: n.p = 120.f n = velocidade angular em rpm f = frequência em Hz P = número de polos Hidrelétricas - Rotor Polos Salientes n p Itaipu (60Hz): 92,3 rpm – 78 polos - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 36 Geração Hidráulica • A quantidade de energia produzida é proporcional à: vazão da água; altura do nível do reservatório. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 37 Geração Hidráulica • Potência gerada em kW P = ρ.Q.H.g.η (kW) P = potência em kW ρ = densidade da água em kg/m3 Q = vazão da água em m3/s H = altura da coluna d’água em m g = aceleração da gravidade m/s2 η = rendimento do sistema p.u.0 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 38 Geração Hidráulica • As principais causas de perda de energia nas turbinas são: Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina. Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 39 Tipos de Turbinas • Basicamente existem dois tipos de turbinas hídricas: Turbinas de reação ou propulsão; Turbinas de ação ou impulso;. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 40 Tipos de Turbinas • Turbinas de Reação (ou propulsão): São turbinas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em escoamento através do rotor. As turbinas de reação são as do tipo Francis e Kaplan. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 41 Tipos de Turbinas • Turbinas de Ação (ou impulso): Aquela em que o trabalho mecânico é obtido pela obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor. As turbinas de ação são as do tipo Pelton. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 42 Características das Turbinas • Uma turbina é constituída basicamente por cinco partes: Caixa espiral; Pré-distribuidor; Distribuidor; Rotor e eixo; Tubo de sucção; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 43 Características das Turbinas - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 44 Turbina Francis - Reação • Desenvolvida pelo engenheiro estadunidense James B. Francis em 1849. • Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 45 Turbina Francis - Reação • As Usinas hidrelétrica de Itaipu, Tucuruí, Furnas, Foz do Areia, Salto Pilão e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda de água. • Caracterizada por ter uma roda formada por uma coroa de aletas fixas, as quais constituem uma série de canais hidráulicos que recebem a água radialmente e a orientam para a saída do rotor numa direção axial. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 46 Turbina Francis - Reação • As turbinas Francis, relativamente às Pelton, têm um rendimento máximo mais elevado, velocidades maiores e menores dimensões. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 47 Turbina Francis - Reação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 48 Turbina Francis - Reação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 49 Turbina Kaplan e Hélice - Reação • Adequada para operar entre quedas até 60 m. A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. assemelha-se a um propulsor de navio (similar a uma hélice). • Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 50 Turbina Kaplan e Hélice - Reação • São constituídas por uma câmara de entrada que pode ser aberta ou fechada, por um distribuidor e por uma rotor com quatro ou cinco pás em forma de hélice • Quando estas pás são fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice; • Se as pás são móveis, o que permite variar o ângulo de ataque por meio de um mecanismo de orientação, diz- se que a turbina é do tipo Kaplan. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuiçãode Energia Elétrica - 2/2014 51 Turbina Kaplan - Reação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 52 Turbina Hélice - Reação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 53 Turbina Pelton - Ação • São turbinas de ação porque utilizam a velocidade do fluxo de água para provocar o movimento de rotação; • Sua constituição física consiste numa roda circular que na sua periferia possui um conjunto de conchas sobre os quais incide(m), tangencialmente, um(s) jato(s) de água dirigido(s) por um ou mais injetores distribuídos de forma uniforme na periferia da roda; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 54 Turbina Pelton - Ação • Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. • A potência mecânica fornecida por estas turbinas é regulada pela atuação nas válvulas de agulha dos injetores - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 55 Turbina Pelton - Ação • Utilizada em aproveitamentos hidrelétricos caracterizados por pequenos caudais e elevadas quedas úteis (250 a 2500 m), sendo por isto, muito mais comuns em países montanhosos. • Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 56 Turbina Pelton - Ação • Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de montanhas. • As turbinas Pelton, devido a possibilidade de acionamento independente nos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficiência plana, que lhe garante boa performance em diversas condições de operação, tendo um rendimento de até 93%. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 57 Turbina Pelton - Ação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 58 Turbina Pelton - Ação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 59 Turbina Bulbo - Ação • Operam em quedas abaixo de 20 m; • Foram inventadas na década de 30 e aplicadas na década de 1960, na França, para a usina maremotriz de La Rance e depois desenvolvidas para outras finalidades; • Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porém devido à baixa queda, o gerador hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de chegar às pás da Turbina; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 60 Turbina Bulbo - Ação • No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau, a fio d’água, em construção no rio Madeira (Rondônia), serão instaladas de 44 turbinas do tipo Bulbo com potência unitária igual a 73 MW e 75 MW, respectivamente; • As turbinas a serem instaladas nestas usinas passarão a ser as maiores turbinas bulbo do mundo; • Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia conforme a vazão de água e a potência gerada. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 61 Turbina Bulbo - Ação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 62 Comparativo entre as Turbinas As vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q). - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014
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