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WBA0461_v2.0 Geração, transmissão e distribuição de energia elétrica Fundamentos básicos para projetos de sistemas de energia Geração Bloco 1 Leandro José Cesini da silva Centrais hidroelétricas Configurações: Figura 1 – Usina em desvio Figura 2 – Usina reversível Fonte: Reis (2011, p. 111). Fonte: Reis (2011, p. 113). Barragens - impactos Geomorfologia e Geologia: • Estabilidade das encostas. • Assoreamento. • Aspectos paisagísticos. • Recursos minerais. Hidrogeologia: • Alteração do regime de águas subterrâneas. • Contaminação do aquífero por agrotóxicos. Qualidade das águas: • Entrada de agrotóxicos podem alterar a qualidade da água do reservatório. Solo: • Obras de engenharia. • Descarte de materiais. • Perda de produção agrícola e mineral. Vegetação e fauna: • Abrigos e fonte de alimentos de animais são perdidos com a inundação. Socioeconomia: • Aspectos que alteram a qualidade de vida da população. Barragens - tipos O equilíbrio estático da construção é realizado pelo próprio peso e forças da estrutura. Utiliza das propriedades das estruturas em arco para resistirem com facilidade a cargas distribuídas sobre seu dorso. Figura 3 – Barragem a arco Figura 4 – Barragem a gravidade Fonte: Rusm/ iStock.com. Fonte: ClaudineVM / iStock.com. Existem ainda as barragens arco-gravidade que possuem planimetria em arco, porém, funcionam parcialmente, ora a arco, ora a gravidade. https://www.istockphoto.com/br/portfolio/ClaudineVM?mediatype=photography Centrais termoelétricas Figura 5 – Termoelétrica a vapor Fonte: Reis (2011, p. 190). Figura 6 – Termoelétrica a vapor com extração Fonte: Reis (2011, p.191). Centrais termoelétricas • Projetos com ciclo combinado mais eficientes. • Aproveitamento dos gases quentes da queima do gás. • Geração de energia elétrica em dois sistemas distintos. Conjuga-se o ciclo de Brayton (gás) e o Rankine (vapor). Figura 7 – Termoelétrica ciclo combinado Fonte: Reis (2011, p. 190). Fundamentos básicos para projetos de sistemas de energia Transmissão Bloco 2 Leandro José Cesini da Silva Cálculo da flecha É a diferença de nível entre o ponto mais baixo do condutor e seu ponto de apoio. Figura 8 – Disposição do condutor Fonte: Reis (2018, p. 77). 𝑓𝑓 = 𝑝𝑝𝑙𝑙2 8𝑇𝑇 𝑓𝑓 – flecha. 𝑝𝑝 – peso do condutor. 𝑙𝑙 – comprimento do vão. 𝑇𝑇 – tração que atua no ponto O. Altura mínima do solo Para torres niveladas, a altura mínima é calculada por: Figura 9 – Disposição do condutor ao solo Fonte: Reis (2018, p. 79). 𝐻𝐻 = 𝐻𝐻𝑚𝑚 − 1/3 𝑓𝑓 𝐻𝐻 – Altura Mínima. 𝐻𝐻𝑚𝑚 - Altura média dos condutores no plano do solo. 𝑓𝑓 – Flecha. Faixa de segurança 𝐿𝐿 – faixa de segurança. 𝑏𝑏 – distância horizontal do eixo do suporte até o ponto de fixação do condutor mais afastado. 𝑑𝑑 – soma das projeções horizontais da flecha do condutor e do comprimento da cadeia de isoladores, após o seu deslocamento angular, devido à ação do vento. 𝐷𝐷 – valor fixo de no mínimo 0,5m. Figura 10 – Esquema para cálculo faixa de segurança Fonte: Pinto (2018, p. 92). 𝐿𝐿 = 2 𝑏𝑏 + 𝑑𝑑 + 𝐷𝐷 Esforços nas torres de transmissão Os cabos, isoladores e suportes sofrem esforços devido às intempéries do tempo, principalmente, pela ação da força dos ventos. 𝑞𝑞0 = 1 2 𝜌𝜌𝑉𝑉𝑝𝑝2 (N/m) Pressão Dinâmica de Referência. Massa Específica do ar. 𝜌𝜌 = 1,293 1 + 0,00367𝑡𝑡 16000 + 64𝑡𝑡 − 𝐴𝐴𝐿𝐿𝑇𝑇 16000 + 64𝑡𝑡 + 𝐴𝐴𝐿𝐿𝑇𝑇 Velocidade do vento do projeto. 𝑉𝑉𝑝𝑝 = 𝐾𝐾𝑟𝑟 ∗ 𝐾𝐾𝑑𝑑 𝐻𝐻 10 1 𝑛𝑛 𝑉𝑉𝑏𝑏 𝑡𝑡 – média das temperaturas mínimas diárias quando da ocorrência de velocidade do vento. 𝐴𝐴𝐿𝐿𝑇𝑇 – altitude média da região de implantação do projeto. 𝐾𝐾𝑟𝑟 – coeficiente de rugosidade do terreno. 𝐾𝐾𝑑𝑑 – coeficiente de correção do período de integração (t). 𝐻𝐻 – altura do solo até o elemento em estudo. 𝑛𝑛 – coeficiente de correção da velocidade do vento. Diretrizes para elaboração de projeto em transmissão - ONS • Estudos na frequência fundamental. • Estudos de transitórios eletromagnéticos. Diretrizes e critérios para estudos elétricos. • Aspectos gerais. • Tensão e corrente nominal dos equipamentos. • Planilha de dados técnicos dos equipamentos (disjuntores, capacitores, reatores etc.). Diretrizes para a especificação da instalação e equipamentos. • Definição do traçado preliminar e levantamento dos parâmetros meteorológicos. • Escolha do condutor. • Cálculo de capacidades (operativas, correntes). Diretrizes e critérios para linhas de transmissão. Fundamentos básicos para projetos de sistemas de energia Distribuição Bloco 3 Leandro José Cesini da Silva Fatores típicos de carga - Fator de demanda É a relação entre a demanda máxima (𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ) em um determinado tempo e a carga nominal/ instalada total do elemento considerado (𝐷𝐷𝑛𝑛𝑛𝑛𝑚𝑚,𝑖𝑖). 𝑓𝑓𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚𝑚 = 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∑𝑖𝑖=1,𝑛𝑛 𝐷𝐷𝑛𝑛𝑛𝑛𝑚𝑚,𝑖𝑖 𝑓𝑓𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚𝑚_𝑇𝑇1 = 160 150 = 1,067 𝑓𝑓𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚𝑚_𝑇𝑇𝑇 = 375 300 = 1,250 𝑓𝑓𝑑𝑑𝑑𝑑𝑚𝑚_𝑇𝑇𝑇 = 60 75 = 0,80 Figura 11 – Conjunto de trafos Fonte:Kagan et al. (2010, p. 31). Sobrecarregado. Sobrecarregado. Fatores típicos de carga - Fator de utilização Fator de utilização (𝑓𝑓𝑢𝑢𝑢𝑢𝑖𝑖𝑢𝑢 ) é a relação entre demanda máxima do sistema (𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚), em um intervalo de tempo τ, e sua capacidade (𝐶𝐶𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑢𝑢). Ambas expressas em unidades de corrente ou potência aparente. 𝑓𝑓𝑢𝑢𝑢𝑢𝑖𝑖𝑢𝑢 = 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐶𝐶𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑢𝑢 Em um exemplo em que 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚= 450 kVA e capacidade 𝐶𝐶𝑠𝑠𝑖𝑖𝑠𝑠𝑢𝑢 = 850 kVA, o fator de utilização será: 𝑓𝑓𝑢𝑢𝑢𝑢𝑖𝑖𝑢𝑢 = 450 850 = 0,5294 = 52,94% Isso significa que o sistema possui uma reserva de 47,06% de capacidade. Portanto, como visto anteriormente, o fator de demanda resulta na porcentagem da potência instalada que está sendo utilizada. Já o fator de utilização, resulta na porcentagem da capacidade do sistema que está em utilização. Fatores típicos de carga - Fator de carga É a relação entre as demandas médias (𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑) e máximas (𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚) do sistema em um determinado período de tempo τ. 𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Multiplicando numerador e denominador por τ,, teremos: 𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑 × 𝜏𝜏 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 = 𝐸𝐸𝑛𝑛𝐸𝐸𝑟𝑟𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝐸𝐸𝑏𝑏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎𝐸𝐸𝑑𝑑𝐸𝐸 𝑛𝑛𝑎𝑎 𝑝𝑝𝐸𝐸𝑟𝑟𝑝𝑑𝑑𝑎𝑎 𝜏𝜏 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 = 𝜀𝜀 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 Portanto, 𝜀𝜀 = 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 × 𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟𝑐𝑐𝑐𝑐= 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝐻𝐻𝑑𝑑𝑒𝑒 Sendo 𝐻𝐻𝑑𝑑𝑒𝑒 (horas equivalentes) o período em que o sistema deveria operar com sua demanda máxima para alcançar a mesma energia que operando em sua curva de carga. Fatores típicos de carga - Fator de perdas É a relação entre a potência média dissipada (𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑) e a potência máxima (𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚) dissipadas em perdas, em um intervalo de tempo τ. 𝑓𝑓𝑝𝑝𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑𝑐𝑐𝑠𝑠 = 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Multiplicando numerador e denominador por τ, tem-se: 𝑓𝑓𝑝𝑝𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑𝑐𝑐𝑠𝑠 = 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑 × 𝜏𝜏 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 = 𝐸𝐸𝑛𝑛𝐸𝐸𝑟𝑟𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑝𝑝𝐸𝐸𝑟𝑟𝑑𝑑𝐸𝐸𝑑𝑑𝐸𝐸 𝑛𝑛𝑎𝑎 𝑝𝑝𝐸𝐸𝑟𝑟𝑝𝑑𝑑𝑎𝑎 𝜏𝜏 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 = 𝜀𝜀 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 Portanto, 𝜀𝜀 = 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝜏𝜏 × 𝑓𝑓𝑝𝑝𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑𝑐𝑐𝑠𝑠= 𝑝𝑝𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 × 𝐻𝐻𝑑𝑑𝑒𝑒.𝑝𝑝 Sendo 𝐻𝐻𝑑𝑑𝑒𝑒.𝑝𝑝 (horas equivalentes para perdas) representa as horas de funcionamento de uma instalação, operando com a perda máxima para que o valor total das perdas seja igual às perdas medidas no período em análise. Curva de duração de carga 1 pu = 2200 kW (demanda máxima). 1 pu = 720 horas. Figura 12 – Curva kWxh Figura 13 – Curva em pu Fonte: Kagan et al. (2010, p. 41).Fonte: Kagan et al. (2010, p. 41). Fornece o perfil das cargas que demandam do sistema elétrico distribuição Em 100 horas, a carga ficou acima de 1800 kW.Nas 720 horas de análises, a carga mínima foi de 400 kW. A probabilidade da carga exceder 70% de sua demanda máxima é de 22%. Teoria em Prática Bloco 4 Leandro José Cesini da Silva Reflita sobre a seguinte situação Os acionistas da indústria em que você é o responsável, pelo gerenciamento da energia, estão dispostos a investir em cogeração de energia elétrica. Seu processo produtivo libera muito calor (gases quentes) e, atualmente, passa por uma caldeira de recuperação e o condensado retorna para o sistema. Nesse sentido, você foi questionado em: • É possível utilizar o nosso processo para cogerar energia elétrica? • Em caso positivo, em que tipos de usinas faz sentido a empresa investir? Norte para a resolução É possível utilizar nosso processo para cogerar energia elétrica? Sim! Veja que sua indústria já possui a geração de energia térmica, pois faz parte do processo produtivo. O que, atualmente, é realizado, é o resfriamento desse calor através de uma caldeira de recuperação. Nesse processo, a água fria troca calor com o gás, que, resfriado em temperatura adequada, é utilizado no processo. A água quente, resultado da troca térmica, volta para o circuito, que é fechado. Em caso positivo, em que tipos de usinas faz sentido a empresa investir? Neste caso, é possível utilizar o gás quente em usinas a vapor. Do mesmo modo que ocorre a queima de combustíveis, biomassa, por exemplo, para gerar o gás quente nas caldeiras, seu processo não necessita da queima, pois o gás quente é seu processo que produz. Norte para a resolução Calor de processo Figura 14 – Cogeração Fonte: adaptada de Reis (2011, p. 191). Norte para a resolução Dicas do(a) Professor(a) Bloco 5 Leandro José Cesini da Silva Prezado aluno, as indicações a seguir podem estar disponíveis em algum dos parceiros da nossa Biblioteca Virtual (faça o login através do seu AVA). Algumas indicações também podem estar disponíveis em sites acadêmicos como o Scielo, repositórios de instituições públicas, órgãos públicos, anais de eventos científicos ou periódicos científicos, acessíveis pela internet. Isso não significa que o protagonismo da sua jornada de autodesenvolvimento deva mudar de foco. Reconhecemos que você é a autoridade máxima da sua própria vida e deve, portanto, assumir uma postura autônoma nos estudos e na construção da sua carreira profissional. Por isso, te convidamos a explorar todas as possibilidades da nossa Biblioteca Virtual e além! Sucesso! Leitura Fundamental Indicação de leitura 1 Este documento, emitido pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), apresenta os procedimentos de rede relacionados aos critérios de operação das linhas de transmissão no Brasil, informações essenciais para o aprofundamento nos estudos relacionados aos requisitos de projetos de linhas. Referência: ONS. Procedimentos de rede – Submódulo 2.5 – Critérios para operação. 2020. Indicação de leitura 2 O capítulo desse livro traz informações complementares sobre a geração hidroelétrica, especificamente sobre as Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCH). Vale a pena a leitura. Referência PINTO, M. de O. Energia elétrica: geração transmissão e sistemas interligados. 1. ed., cap. 3, p. 44-45. Rio de Janeiro: LTC, 2018. Dica do(a) Professor(a) No site da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), você encontra um espaço dedicado ao Painel de Desempenho da Transmissão. Nesse espaço, você pode pesquisar sobre os empreendimentos de transmissão que estão com projetos em execução e acompanhar as informações fiscalizadas pela ANEEL, bem como os indicadores que utiliza para este fim. Fonte: https://www.aneel.gov.br/fiscalizacao- da-transmissao. Acesso em: 23 mar. 2022. Figura 15 – Dica Referências KAGAN, N.; OLIVEIRA, C. C. B.; ROBBA, E. J. Introdução aos Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica. São Paulo: Blucher, 2010. ONS. Procedimentos de rede – Submódulo 2.5 – Critérios para operação. 2020. Disponível em: http://www.ons.org.br/paginas/sobre-o- ons/procedimentos-de-rede/vigentes. Acesso em: 23 mar. 2022. PINTO, M. de O. Energia elétrica: geração transmissão e sistemas interligados. 1.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. REIS, L. B. dos. Geração de energia elétrica. 2.ed. Barueri: Manole, 2011. Bons estudos! Geração, transmissão e distribuição de energia elétrica Fundamentos básicos para projetos de sistemas de energia Centrais hidroelétricas Barragens - impactos Barragens - tipos Centrais termoelétricas Centrais termoelétricas Fundamentos básicos para projetos de sistemas de energia Cálculo da flecha Altura mínima do solo Faixa de segurança Esforços nas torres de transmissão Diretrizes para elaboração de projeto em transmissão - ONS Fundamentos básicos para projetos de sistemas de energia Fatores típicos de carga - Fator de demanda Fatores típicos de carga - Fator de utilização Fatores típicos de carga - Fator de carga Fatores típicos de carga - Fator de perdas Curva de duração de carga Teoria em Prática Reflita sobre a seguinte situação Norte para a resolução Norte para a resolução Norte para a resolução Dicas do(a) Professor(a) Número do slide 26 Indicação de leitura 1 Indicação de leitura 2 Dica do(a) Professor(a) Referências Bons estudos!