Aula Usina

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PEQUENOS SISTEMAS DE 
CAPTAÇÃO DE ENERGIA HÍDRICA E 
SUAS APLICAÇÕES
Bibliografia Sugerida:
. Usinas Hidrelétricas. Gerhard P. Schreiber. Editora Edgard Blücher. 1977.
. Plano Decenal de Expansão de Energia Elétrica. 2006-2015. MME/EPE. 2006.
http://www.epe.gov.br/Estudos.htm
. Manual de MicroCentrais Hidrelétricas. Eletrobras. 1985.
. Manual de MiniCentrais Hidrelétricas. Eletrobras. 1984.
. Diretrizes para Estudos e Projetos de Pequenas Centrais Hidrelétricas. 
Eletrobras. 1999.
http://www.eletrobras.com.br/EM_Atuacao_Manuais/default.asp
ENERGIA HIDRÁULICA
• A Eletrobrás define as chamadas energias convencionais
aquelas cuja geração é proveniente de usinas
hidrelétricas com potências superiores a 30 MW e de 
termelétricas com potências superiores a 1MW. 
• As usinas hidrelétricas com potência ≤ 30 MW e > 1 MW 
são classificadas como pequenas centrais hidrelétricas 
(PCH), já as usinas com potência instalada entre 1MW e 
100KW são denominadas de mini centrais hidrelétricas e 
as demais como micro centrais hidrelétricas. Essas 
usinas gozam de legislação específica e são 
denominadas de energia alternativa.
QUANTO À CAPACIDADE DE REGULARIZAÇÃO
• Fio d’Água;
• Acumulação, com Regularização Diária do Reservatório;
• Acumulação, com Regularização Mensal do Reservatório.
QUANTO AO TIPO DE ADUÇÃO
• em baixa pressão com escoamento livre em canal / alta pressão em
conduto forçado;
• em baixa pressão por meio de tubulação / alta pressão em conduto
forçado.
QUANTO À POTÊNCIA E QUEDA DE PROJETO
• Pequenas centrais hidrelétricas - PCHs: 1 MW a 30 MW
• Mini-centrais: 100 kW e 1000 kW
• Micro-centrais: abaixo de 100 kW
ENERGIA HIDRÁULICA RENOVÁVEL E 
ALTERNATIVA
FIO D´ÁGUA
• Adotado quando as vazões de estiagem do rio são iguais 
ou maiores que a descarga necessária à potência a ser 
instalada para atender à demanda máxima prevista. Nesse 
caso, despreza-se o volume do reservatório criado pela 
barragem (sem regularização de vazões).
• O sistema de adução deverá ser projetado para conduzir a 
descarga necessária para fornecer a potência que atenda à
demanda máxima, não significando o aproveitamento do 
potencial energético do local, uma vez que o vertedouro
funcionará na quase totalidade do tempo, extravasando o 
excesso de água.
• As barragens serão baixas, pois têm a função apenas de 
desviar a água para o circuito de adução. 
• As áreas inundadas são pequenas, então os valores de 
indenizações serão reduzidos.
MCH do Remanso – Parque das Cachoeiras – 7,5 kW
(apenas 15% da água é turbinada)
Esse tipo de usina é empregado quando as vazões de 
estiagem do rio são inferiores à necessária para fornecer a 
potência para suprir a demanda máxima do mercado 
consumidor e ocorrem com risco superior ao adotado no 
projeto. Nesse caso, o reservatório fornecerá o adicional 
necessário de vazão regularizada. 
DE ACUMULAÇÃO, COM REGULARIZAÇÃO DIÁRIA 
DO RESERVATÓRIO
Quando o projeto de uma usina considera dados de vazões 
médias mensais no seu dimensionamento energético, 
analisando as vazões de estiagem médias mensais, 
pressupõe-se uma regularização mensal das vazões médias 
diárias, promovida pelo reservatório. 
DE ACUMULAÇÃO, COM REGULARIZAÇÃO 
MENSAL DO RESERVATÓRIO
QUANTO AO SISTEMA DE ADUÇÃO
• São considerados dois tipos:
– adução em baixa pressão com escoamento livre em canal /
alta pressão em conduto forçado;
– adução em baixa pressão por meio de tubulação / alta pres-
são em conduto forçado.
PCH Sobrado – CELTINS
Potência: 4,8 MW
PCH São Lourenço - CEMIG
Potência: 1,4 MW
QUANTO À QUEDA DE PROJETO
Para as centrais com alta e média queda, onde existe um 
desnível natural elevado, a casa de força fica situada, 
normalmente, afastada da estrutura do barramento. 
Conseqüentemente, a concepção do circuito hidráulico de 
adução envolve, canal ou conduto de baixa pressão com 
extensão longa.
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.
PCH Rio dos Patos – COPEL
Potência: 1,8 MW
PCH Noidore – ELOI BRUNETA
Potência: 1,0 MW
Hd > 13025 < Hd < 130Hd < 251.000 < P < 30.000PCH
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ALTAMÉDIABAIXA
QUEDA DE PROJETO
Hd (m)POTÊNCIA 
P (kW)
CLASSIFICAÇÃO DAS 
CENTRAIS
CLASSIFICAÇÃO QUANTO À POTÊNCIA E QUEDA DE PROJETO
FUNCIONAMENTO DE USINA HIDRELÉTRICA
A geração hidrelétrica está associada à vazão do rio e à altura de sua queda. 
Quanto maiores são as vazões e a queda, maior é o potencial de 
aproveitamento na geração de eletricidade. A vazão do rio depende de suas 
características hidráulicas e do regime de chuvas na bacia, o que faz com 
que a produção de energia varie longo do ano.
O potencial hidráulico é proporcionado pelos desníveis existentes ao longo 
do curso de um rio. Isto pode se dar de uma forma natural (cachoeiras), 
através de uma barragem (queda artificial) ou ainda por desvio do curso 
natural do leito do rio.
Uma usina hidrelétrica compõe-se de: barragem, sistemas de captação e 
adução de água, casa de força, sistema de extravasamento (vertedouro) e 
sistema de restituição de água ao leito natural do rio (canal de fuga). 
FUNCIONAMENTO DE USINA HIDRELÉTRICA
A construção da barragem provoca a 
formação de um lago artificial chamado 
reservatório.
A água captada é conduzida até a casa 
de força através de canais, túneis e/ou 
condutos metálicos. Após passar pela 
turbina hidráulica, a água é restituída ao 
leito natural do rio, através do canal de 
fuga.
A energia gerada é levada através de 
cabos ou barras condutoras, dos 
terminais do gerador até o 
transformador elevador, onde tem sua 
tensão (voltagem) elevada para 
condução, através de linhas de 
transmissão, até os centros de 
consumo. Daí, através de 
transformadores abaixadores, a energia 
tem sua tensão levada a níveis 
adequados para utilização pelos 
consumidores. 
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Serviços de Campo
TOPOGRÁFICOS
- determinação da queda natural no local;
- planialtimétricos das áreas de implantação das estruturas previstas;
- planialtimétricos das áreas de empréstimo de solo, jazidas de 
areia e cascalho e pedreiras;
- nivelamento da linha d’água do reservatório;
- cadastro jurídico das propriedades atingidas;
- levantamento das propriedades atingidas para efeito de subdivisão 
e averbação legal.
Além desses, deverá ser levantado o fundo do rio na região de 
implantação das estruturas (topo-batimetria).
A determinação da queda natural poderá ser feita utilizando-se, 
alternativamente, a tecnologia de rastreamento de satélite GPS, em 
substituição ao transporte de cotas para o local a partir de marcos 
topográficos do IBGE na região.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Serviços de Campo
GEOLÓGICOS E GEOTÉCNICOS
- investigar as condições das fundações e ombreiras na região 
das estruturas componentes do aproveitamento, bem como das 
encostas na vizinhança da obra;
- pesquisar e caracterizar as áreas de empréstimo de solo, jazidas 
de areia e cascalho mais próximas do sítio do empreendimento; e
- identificar os locais prováveis para lançamento de bota-fora, 
instalação de canteiro e alojamento de operários.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Serviços de Campo
HIDROMETRIA
O estudo da vazão exige a instalação de uma estação fluviométrica, 
onde serão feitas regularmente observações de altura do nível d'água e 
realizadas as medições de descarga líquida e de descarga sólida. É um 
posto de observação permanente do regime fluvial do rio. A estação 
fluviométrica é constituída de: régua, seção de medição de vazão e 
referências de nivelamento.
Aescolha do local para instalação da estação deverá seguir, pelo 
menos, os seguintes critérios:
- acesso permanente;
- o trecho do rio reto e, se possível, tendo a jusante uma queda 
ou corredeira. Na seção de medição de vazão, o escoamento deverá
ser laminar (tranqüilo) sem turbulências ou redemoinhos;
- as margens do rio devem ser estáveis e suficientemente altas 
para impedir que, nas cheias, ele transborde.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Serviços de Campo
HIDROMETRIA
A freqüência das medições de vazão e de declividade da linha d'água 
deverá ser de uma vez por semana, durante o período chuvoso, e 
quinzenal durante o período seco, abrangendo pelo menos um ciclo 
hidrológico. 
Os equipamentos de campo necessários para este serviço consistem 
em: régua, molinete, contador de rotações, cronômetro e haste 
graduada para medir a profundidade.
A régua deverá estar localizada na seção de medição ou próxima 
desta, na margem do rio, em posição vertical. A sua freqüência de 
leitura deverá ser diária, preferencialmente, às 07:00 e às 17:00 horas.
Na estação deverão ser implantadas pelo menos duas referências de 
nível, RRNN, para verificação da posição dos lances da régua. Elas 
ficarão próximas à régua, a fim de facilitar os nivelamentos periódicos. 
Deverão também ser instalados marcos, para montante e para jusante 
da estação, objetivando a determinação da declividade da linha d'água 
no trecho.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Serviços de Campo
SEDIMENTOMETRIA
Durante a realização das campanhas hidrométricas, sugere-se que 
sejam realizadas campanhas sedimentométricas. Além disto, a região 
deverá ser inspecionada para identificação de atividades de exploração 
de areia e argila.
Deverá ser prevista a coleta de água para análise da concentração de 
sedimentos em suspensão e de amostragem do material do leito, a fim 
de se possibilitar a caracterização do transporte de sedimentos da 
bacia, pelo menos durante um ciclo hidrológico, até o local do 
barramento.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
TOPOGRÁFICOS
Compreenderão:
- a elaboração da base cartográfica em escala adequada ao 
desenvolvimento do projeto;
- a determinação da queda bruta disponível no local;
- o levantamento do perfil do rio no trecho de interesse;
- o levantamento da curva cota x área e da curva cota x volume do 
reservatório, se for o caso;
- locação das estruturas;
- locação dos furos de sondagem;
- locação do reservatório.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
GEOLÓGICOS E GEOTÉCNICOS
Compreenderão:
- a definição dos projetos de escavação e tratamento das 
fundações;
- a caracterização completa dos materiais naturais de construção 
disponíveis nas jazidas mais próximas do sítio do empreendimento;
- estudos de estabilidade para barragens de terra ou enrocamento, 
com alturas superiores a 10 m.
A obra deverá ser executada com os materiais disponíveis no local, 
o que significa dizer que o projeto deverá ser adaptado aos mesmos. 
Os materiais (solos, areias, cascalho e rocha) deverão existir em 
quantidade e com a qualidade requerida. Quanto à suficiência deverá
ser levantado o balanço de materiais para verificar se o volume útil de 
cada tipo de fonte é no mínimo 50% maior que o volume necessário 
para as obras.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
HIDROLÓGICOS
CARACTERIZAÇÃO FISIOGRÁFICA DA BACIA
Aspectos fisiográficos da bacia, tais como área, perímetro, forma, 
densidade de drenagem, declividade do rio, tempo de concentração, 
cobertura vegetal, uso, ocupação e relevo, auxiliam na interpretação 
dos resultados dos estudos hidrológicos e permitem estabelecer 
relações e comparações com outras bacias conhecidas. Esses 
aspectos têm influência direta no comportamento hidrometeorológico
da bacia e, conseqüentemente, no regime fluvial e sedimentológico
do seu curso d’água principal.
A comparação dessas características e relações é um importante 
subsídio para a definição de “regiões hidrologicamente 
homogêneas”.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
CURVA-CHAVE
A relação que existe entre a vazão medida e a leitura simultânea de 
régua é uma função que envolve características geométricas e 
hidráulicas da seção de medições e do trecho do curso d’água 
considerado. Aos pares de valores leitura e vazão, ajusta-se uma 
curva que deve ser monotonamente crescente, sem singularidades e
com concavidade voltada para cima. A relação é do tipo:
Q vazão líquida, em m3/s;
h leitura de régua correspondente à vazão Q, em m;
hO leitura de régua correspondente à vazão Qo, nula, em m;
a e b constantes, determinadas para o local.
( )bohhaQ −= .
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
SÉRIES DE VAZÕES MÉDIAS MENSAIS
Para o local do aproveitamento deverá ser definida uma série de 
vazões médias mensais derivada de uma série histórica de um posto 
localizado no mesmo curso d’água ou na mesma bacia, por 
correlação direta entre áreas de drenagem (limitada à diferença entre 
áreas de 3 a 4 vezes). A equação de correlação é definida por:
A1 área de drenagem do local do aproveitamento, em km2;
A2 área de drenagem do posto existente, em km2;
Q1 vazão do local do aproveitamento, em m3/s;
Q2 vazão do posto existente, em m3/s.
Caso a diferença entre áreas seja superior a 4 vezes, recomenda-se 
a elaboração de um estudo de regionalização.
2
2
1
1 QA
AQ ⋅=
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
CURVA DE PERMANÊNCIA
Relaciona a vazão com a 
sua probabilidade de 
ocorrerem valores iguais ou 
superiores. É importante nos 
estudos de enchimento de 
reservatórios, operação da 
usina, desvio do rio e estudos 
energéticos, dentre outros.
A curva relaciona a vazão, 
em m3/s, com o tempo, em %, e 
dela podem ser obtidas as 
vazões características, das 
quais se destaca a Q95%.
OU CURVA DE FREQUÊNCIA ACUMULADA
CURVA DE PERMANÊNCIA
100
95
75
50
25
0
TEMPO (%)
DESCARGAS DIÁRIAS MÉDIAS (m³/s)
Q95
Q50
Qmédia
Qmédia
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
ESTUDOS DE VAZÕES MÁXIMAS
Com base na série de vazões médias diárias, seleciona-se o maior 
valor ocorrido anualmente. Dos valores máximos anuais calcula-se a 
média, o desvio-padrão e assimetria. Da análise do valor da 
assimetria escolhe-se a distribuição de probabilidades, Gumbel ou 
Exponencial a Dois Parâmetros, e definem-se as vazões de projeto.
Em geral, recomenda-se a adoção do tempo de recorrência de 500 
anos para o caso de estruturas galgáveis, ou seja, de concreto. Para 
outras situações, como por exemplo, barragem de terra e vertedouro, 
admite-se um tempo de recorrência de 1.000 anos.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
VAZÕES MÍNIMAS
A vazão mínima a jusante 
ou vazão ecológica deve ser 
definida principalmente nas 
usinas que adotem arranjos 
do tipo derivação para uma 
Casa de Força a jusante do 
local do barramento, pois isto 
reduz o afluxo de água no 
trecho de rio compreendido 
entre essas duas estruturas.
Como balizamento, poderá
ser adotado o menor valor 
entre 50% da Q95% e 80% da 
Q7,10, que representa a menor 
média em sete dias 
consecutivos com recorrência 
de 10 anos.
Data Vazão Média Móvel Mínima Anual
01/jan/55 150
02/jan/55 145
03/jan/55 140
04/jan/55 145
05/jan/55 138
06/jan/55 135
07/jan/55 140 141,9
08/jan/55 135 139,7
09/jan/55 130 137,6 129,7
10/jan/55 120 134,7
11/jan/55 110 129,7
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Básicos
AVALIAÇÃO SEDIMENTOLÓGICA
Em pequenas, mini e micro centrais, os reservatórios têm pouco 
volume e, conseqüentemente, pequena capacidade de regularização.
A construção de um barramento sempre altera o equilíbrio 
hidráulicossedimentológicode um curso d’água, devido à
desaceleração da corrente líquida ocasionada pela presença do 
reservatório (transformação do regime lótico em lêntico), dando início 
a um processo de assoreamento. Desta forma, os aspectos 
sedimentológicos se revestem de grande importância, uma vez que 
este processo reduz o pequeno volume d’água existente.
É de primordial importância a consideração da descarga sólida do 
leito nos pequenos reservatórios, uma vez que a maior parte da 
descarga em suspensão sai pelas estruturas extravasoras e/ou 
circuito hidráulico de geração, permanecendo no lago o sedimento 
grosso, de maior granulometria, como areia.
Vazão Ecológica
(50% Q95% ou 80% Q7,10)
Vazão de Desvio 
(Turbinada)
Queda
Vazão de 
Cheia
C a n a
l d e A
d u ç ã
o
Barramento
Câmara 
de Carga
Conduto 
Forçado
Casa de 
Força
ENERGIA FIRME
Representa a energia garantida em 95% do tempo a partir da série 
histórica de vazões definida para o local.
E energia garantida, em MWh.
Q95% vazão com garantia de atendimento de 95% do tempo, ou 
risco de falha de 5%, em m3/s.
h queda líquida, em m. A queda líquida é a diferença entre a 
queda bruta (desnível) e as perdas hidráulicas ao longo do circuito 
adução da usina, normalmente adotado em 3%.
g aceleração da gravidade, em m/s2.
η rendimento do grupo turbina–gerador–transformador. Adota-
se o valor de 0,92 para turbina e 0,94 para o conjunto gerador-
transformador.
1000
...%95 ηghQE =
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Energéticos
1000
.94,092,081,9 %95 hQE ⋅⋅⋅=
FATOR DE CAPACIDADE
É a relação entre a energia média, no caso firme, e a energia 
máxima que a usina pode produzir, visando atender a variação da 
demanda do consumo. A Empresa de Pesquisa Energética - EPE 
adota para as PCHs um fator de carga de 0,6 na potência (Plano 
Decenal 2006-2015).
POTÊNCIA INSTALADA
A potência instalada é calculada a partir da aplicação do fator de 
capacidade à energia firme do aproveitamento.
Pi - potência instalada, em MW.
E - energia firme, em MWh.
Fk - fator de capacidade.
ESCOLHA DO LOCAL DO APROVEITAMENTO
Estudos Energéticos
Fk
EPI =
EXEMPLOS DE TURBINAS
Pelton (alta queda) Francis (queda média)
Kaplan (baixa queda) Banki (baixa queda)
Faixa de 
Utilização 
das 
Turbinas
EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO
Serviços de Campo
• A topografia identificou uma queda natural localizada 
de 40,5 m (trecho de rio encachoeirado);
• A geologia/geotécnica indicou que o local é adequado 
para posicionamento e fundação de pequeno 
barramento.
Serviços de Escritório
• Cálculo da Q95% para a definição da energia firme;
• Cálculo da potência instalada;
• Definição do tipo e quantidade de turbinas.
Vazão com 95% de 
Permanência no 
Tempo = 2,99 m3/s
Esta é a vazão cuja 
probabilidade de falha é de 
5% (critério adotado pelo 
setor elétrico brasileiro).
Q95% = 2,99 m3/s
Curva de Freqüências Acumuladas
Turbina: 0,92
Gerador/Transformador: 0,94
η = 0,92 x 0,94 = 0,86
86,081,9
1000
⋅⋅
⋅=
h
PIQTurb
Próximo passo – Escolha da Turbina
Dimensionamento Energético
1000
86,081,9 %95QE ⋅⋅=
Fk
EPI =
Q95% 
(m3/s)
Queda 
Bruta 
(m)
Queda 
Líquida 
(m)
g (m/s2) Rendimentos
Energia 
Firme 
(MWh)
Fator de 
Capacidade
Potência 
Intalada 
(MW)
Vazão 
Turbinada 
(m3/s)
2,99 40,50 39,29 9,81 0,86 0,99 0,60 1,66 4,98
Escolha 
das 
Turbinas
1 turbina
Qturb = 5,0 m3/s
3 turbinas
Qturb = 1,66 m3/s
Resumo dos Resultados
• Queda de 39,3 metros e engolimento máximo de 5,0 m3/s;
• Energia firme de 1.000 kWh;
• Potência Instalada de 1.660 kW;
• 3 turbinas Francis com potência unitária de 553 kW cada 
(consultar fabricante);
• Duas unidades em operação atendem à energia firme (2 x 553), 
podendo uma ficar parada para manutenção (parada 
programada).