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GTD_Aula_004_Usina_Geração

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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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