As pequenas usinas hidrelétricas têm períodos de gestação mais curtos, de dois a cinco anos, em comparação com as grandes usinas hidrelétricas, que pode estar em torno de sete anos. Além disso, estas pequenas usinas, ou mini usinas, têm um período de retorno do investimento menor e seus custos de operação e manutenção são mais baixos. São mais fáceis de construir e de funcionar porque seu desenho é mais simples, o que proporciona também custos menores. As usinas hidrelétricas grandes requerem estudos rigorosos que não são necessários para a construção de uma pequena usina hidrelétrica. Ademais, a construção de uma pequena usina de energia hidrelétrica tem um impacto ambiental mínimo e não perturba o habitat como é o caso das grandes plantas de energia hidrelétrica. Sua instalação não implica a construção de grandes represas e barragens e, portanto, não enseja os problemas de deflorestação, inundação e reabilitação.
Além disso, não requerem uma grande superfície de terra para sua instalação e podem ser construídas para aproveitar pequenas correntes de água, com pequenas quedas.
São de alta confiança e disponibilidade, por ser uma tecnologia plenamente desenvolvida e madura.
Resumo do tema 9
O estudo de viabilidade econômica é uma parte do projeto muito importante, já que a realização do projeto depende de seu resultado. Para que o projeto seja rentável e possa ser realizado, é necessário que tenha um VAL positivo, um TIR maior do que a taxa de juros e um reduzido prazo de recuperação do investimento em anos. Como exemplo, realizou-se um estudo econômico de um projeto de uma mini usina hidráulica, considerando os fatores econômicos mais importantes e utilizando o programa RETScreen da Natural Resources Canada.
Glossário
Bacia hidrográfica ou topográfica : Área da bacia em km2Barragem: Muro transversal ao rio, de baixa altura (máximo 15 m), destinado a conseguir um regime fluvial com remanso a montante, para facilitar o desvio da água lateralmente mediante um canal de derivação.
Bico ou injetor: Elemento de controle de vazão em turbinas Pelton Calado do canal: Refere-se à altura do canal em metros
Câmara de carga: Depósito para armazenar um volume de água que evite as oscilações de vazão no conduto forçado
Câmara espiral da turbina hidráulica: Câmara em forma de espiral de seção decrescente que mantém a velocidade constante. Está envolta ao distribuidor da turbina.
Canal de derivação: Infraestrutura que tem como missão transportar a água da tomada à câmara de carga.
Canal de drenagem: Infraestrutura utilizada para levar a água ao rio após passar pela turbina. Capacidade : Seção determinada, fixa e inalterável para medir a vazão
Coeficiente de Chezy (C): Seu valor depende do raio hidráulico e do coeficiente de rugosidade do material. É adimensional
Coeficiente de escoamento (C): É a relação entre a contribuição ao rio e a precipitação. É um valor adimensional.
Coeficiente de rugosidade de Manning (n) : Seu valor depende do tipo de material utilizado. Utiliza-se para calcular a velocidade media da água por um canal. É adimensional.
Comporta: Dispositivo manual o automático utilizado para cortar a passagem da água.
Conduto forçado: Canalização fechada sob destinada a transportar a água da câmara de carga à turbina hidráulica.
Contribuição (hm3): O volume de água fornecido pelo canal em um determinado ponto durante um ano.
Curva de vazões médias classificadas: Curva de probabilidade acumulada que expressa a probabilidade de obter um valor de vazão maior que um determinado.
Disjuntor: Dispositivo de corte de corrente elétrica capaz de cortar intensidades de curto- circuito
Disponibilidade (%): Relação entre o número de horas totais do ano, excluindo-se as horas de paradas fortuitas e as horas de paradas por manutenção, entre o número de horas totais por ano.
Distribuidor: Dispositivo encarregado de dirigir e regular a passagem da vazão até o impulsor. EIA : Estudo de Impacto Ambiental
Escada de peixes: Estrutura construída na lateral da represa destinada a facilitar a subida dos peixes em suas migrações a montante.
Escala limnimétrica: Escalas graduadas em centímetros presas ao solo. Utilzadas para medir a altura da água no leito do rio.
Escoamento superficial: É a que chega às vazões superficiais em um período de tempo curto após a precipitação.
Estação hidrométrica: É a encarregada de medir as vazões de um rio mediante a construção de um aforo.
Estação pluviométrica: É a encarregada de medir as precipitações.
Extensão superficial da bacia: É a área circunscrita pelo "divortium-aquarum" ou linha divisória da bacia.
Fator de capacidade (FC): Relação entre a energia real produzida (kWh/ano) e a que poderia haver sido produzida funcionando a potencia nominal durante 8760 h/ano.
Fator de compacidade: É um índice comparativo com a forma da bacia de drenagem (perímetro e área da bacia)
Fator de forma: É a relação entre a área da bacia e o quadrado do comprimento de seu canal principal
Fiabilidade (%): Relação entre o número de horas totais por ano, excluindo-se o número de horas de paradas, entre o número de horas totais por ano.
Frequência acumulada: Curva que expressa a probabilidade de obter um valor menor ou igual, o maior que um valor determinado.
Frequência relativa (%): É a relação entre o número de vezes que um acontecimento é repetido, dividido pelo número total de observações
Gerador assíncrono: Máquina elétrica cuja velocidade de giro é superior à de sincronismo Gerador síncrono: Máquina elétrica que gira à velocidade de sincronismo
Golpe de aríete: Sobrepressão produzida no conduto forçado devida ao fechamento da válvula de guarda.
Hietograma: Gráfico que expressa a precipitação em função do tempo
Horas equivalentes de funcionamento: É o quociente entre a produção anual em kWh e a potencia instalada em kW.
Impulsor: É a parte da turbina hidráulica com lâminas que proporcionam a r otação da turbina. Inclinação média da bacia: Média ponderada das inclinações de todas as superfícies elementares da bacias nas quais a linha de inclinação máxima permanece constante.
Inclinação média de uma bacia: É a relação existente entre o gradiente de altitude do canal e seu comprimento.
Índice de energia ($/kWh): Quociente entre o investimento e a energia media produzida em kWh/ano
Índice de potencia ($/kW): Define-se como o quociente entre o investimento total e a potencia instalada em kW
Intensidade de precipitação (mm/h) : Quantidade de precipitação por hora. IPC : Índice de Preços al Consumo
IVA : Imposto sobre o valor agregado
Lâmina de agua vertida:Obtém-se dividindo a contribuição pela superfície da bacia
Largura útil ponderada (LUP): área definida do rio que deve possuir uma vazão mínima capaz de manter o funcionamento do ecossistema do rio em todos os níveis.
Límnigrafo: Instrumento que mede o nível da agua mediante uma bóia.
Limpa grades: Dispositivo automatizado cuja missão é limpar as diversas grades situadas ao longo do percurso a montante da usina.
Longitude da bacia (L): A longitude da bacia está definida pelo comprimento de seu leito principal
conduto forçado, além da passagem pelas válvulas, comportas, etc. Considera o valor da queda bruta.
Período de retorno o de recorrência (anos): Define-se como o prazo de tempo necessário para recuperar o investimento
Peso específico da água ( ) (Nm): É o produto da densidade relativa de água (ρ) e gravidade (g).
Potência teórica de uma queda d’água (kW): Define-se como o produto do peso específico da
água pela vazão e pelo valor da queda líquida.
Precipitação (mm): A precipitação é qualquer água meteórica coletada sobre a superfície terrestre.
Produção (KWh/ano): Define-se como a quantidade de energia elétrica gerada pela usina em um ano.
Queda bruta (Hb) (m): Diferença de cotas entre a superfície da água no açude e a superfície da água no canal de escoamento. Mede-se em metros.
Queda líquida (Hn) (m): É o valor da queda útil menos as perdas de carga no conduto forçado. Queda útil (Hu) (m): Define-se como a queda bruto menos as perdas de carga no canal.
Raio hidráulico (rh): Relação entre a área e o perímetro molhado de um canal
Rendimento ( %): valor que mede a eficiência energética da instalação. É a relação entre a potência elétrica produzida e a potencia teórica da queda d’água na entrada da turbina hidráulica.
Socaz: Nível de água no canal de escoamento
Taxa interna de retorno(TIR) (%): A taxa interna de retorno é o valor da taxa de juros que torna nulo o valor atual líquido
Tomada de água o entrada: Trata-se de una infraestrutura encarregada do desvio da água do açude ou da represa até o canal
Transecto: Seção perpendicular ao leito do rio relacionada com a LUP
Tubo de aspiração: Parte de una turbina hidráulica de reação que se encontra na saída do impulsor para provocar uma depressão e incrementar o rendimento da turbina.
Turbina hidráulica de ação: Turbina que trabalha sob pressão atmosférica
Valor atual liquido (VAN) ($): É o valor atual, de una quantidade S, a ser recebido em n anos,
com uma taxa de juros i , em uma quantidade que , se a tivéssemos hoje, geraria em n anos a
quantidadeS
Válvula de guarda: Dispositivo que situado na entrada da turbina, cuja missão é cortar a passagem da água diante de situações de emergência ou de manutenção.
Válvula: Dispositivo que pode cortar a passagem da água, total ou parcialmente.
Vazão de cheia (m3/s) : vazão máxima que pode ser apresentada ou que ultrapassa 10 dias por ano
Vazão de estiagem (m3/s): Esta vazão indicará o mínimo necessário na época de seca
Vazão ecológica (m3/s): A vazão ecológica é fixada pelo Agência da Bacia, como uma porcentagem da vazão média interanual
Vazão específica (litros/s.km2): Vazão por unidade de superfície. Representa a vazão aportada por cada km2 de bacia
Vazão media anual (m3/s): O valor médio das 12 vazões médias mensais.
Vazão remanescente (m3/s): É a vazão que o rio necessita para seguir seu curso normal. Inclui a vazão ecológica e a necessária para outros usos.
Vazão mínima absoluta (m3/s): É a vazão capaz de gerar uma LUP igual a um metro ou com 10% da largura total do leito em cada seção.
Vazão mínima técnica (m3/s): É o valor de vazão diretamente proporcional à vazão de equipamento com um fator de proporcionalidade K que depende do tipo de turbina
Vazão mínima ideal (m3/s): É o menor valor de vazão a partir do qual a inclinação da curva LUP / Q diminui
Bibliografia
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Páginas de Internet
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Tabelas/Gráficos/Figuras
Figura 1.1 A energia hidráulica no ciclo hidrológico. Fonte: Centrais de energias renováveis. José
Antonio Carta ... 2
Figura 2.1 Fluxograma dos estudos para um aproveitamento hidrelétrico. Fonte: Elaboração própria T. Adrada ... 9
Figura 2.2 Perfil longitudinal de um rio. Fonte Adaptado de Rosgen (1996) ... 11
Figura 2.3 Esquema geral de uma queda. Fonte: IDAE ... 12
Figura 2.4 Determinação da superfície de uma bacia... 14
Figura 2.5 Ciclo hidrológico. Fonte: Departamento de Geologia da Universidade de Salamanca. ... 15
Figura 2.6 Precipitações mensais médias. Fonte: Departamento de Geologia da Universidade de Salamanca. ... 17
Figura 2.7 Hietograma: Intensidade de precipitação em função do tempo. Fonte: Dpto. de Geologia da Univ. de Salamanca. ... 17
Figura 2.8 Curva intensidade-duração. Fonte: Departamento de Geologia da Universidade de Salamanca. ... 18
Figura 2.9 Curvas IDF. Fonte: Departamento de Geografia da Universidade de Salamanca ... 18
Figura 2.10 Dados de descarga anual. Fonte CEDEX. ... 19
Figura 2.11 Bacia hidrográfica com estação de Medição. Fonte: Jairo Arcesio. Tese Doutoral 1998. . 20
Figura 2.12 Método área - velocidade com molinetes. ... 22
Figura 2.13 Aforo de vertido constante. Fuente Dpto. Geología. Univ. Salamanca ... 23
Figura 2.14 Medição de descarga única. ... 23
Figura 2.14.1 Curva H-Q e hidrograma Q-t ... 25
Figura 2.15 Vertedouro de parede fina: a) seção retangular, b) seção triangular e c) seção trapezoidal. Fonte: SOTELO ÁVILA; Gilberto. Hidráulica General. ... 26
Figura 2.16 Vertedouro de parede grossa e construção de um vertedouro em forma de V. Fonte: SOTELO ÁVILA, Gilberto. Hidráulica General. p. 267. ... 27
Figura 2.17 Método área-inclinada ... 28
Figura 2.18 Correlação entre bacias. Divisórias de águas: topográficas (em laranja), direção do escoamento nas ladeiras (azul escuro) e rede de drenagem principal (azul celeste). Fonte: Instituto Cartográfico de Valencia. ... 29
Figura 2.19 Usina de tipo corrente com canal de derivação. Fonte EVE ... 31
Figura 2.20 Ecossistema fluvial. Fonte: CONAMA (Congresso Nacional de Meio Ambiente - ETSI Montes). ... 32
Figura 2.21 Metodologia IFIM ... 33
Figura 2.22 Escolha da vazão ecológica. Curvas LPU/vazão. Descrição de uma transecção. Fonte: CONAMA (Congresso Nacional de Meio Ambiente - ETSI Montes). ... 34
Figura 2.23 Curva de classificação dos anos hidrológicos. Fonte: IDAE ... 36
Figura 2.24 Curvas de duração de vazões ... 37
Figura 2.25 Curva de vazões médias classificadas. Fonte: IDAE ... 38
Figura 2.26 Curva de vazões médias classificadas ... 41
Figura 2.28 Gráfico da energia em função da vazão ... 42
Figura 2.29 Histograma de vazões médias mensais ... 44
Figura 2.30 Conceito de queda bruta, útil e líquida. Fonte Ente Vasco de la Energía ... 46
Figura 2.31 Perdas nos distintos elementos de uma central micro hidráulica (Sánchez, T y Ramírez, J. ITDG-Peru, 1995) ... 48
Figura 3.1 Esquema de uma mini usina hidrelétrica de água corrente de alta pressão. ... 51
Figura 3.2 Mini usina hidrelétrica de água corrente com canal de derivação. A) Um canal aberto se encarrega de transportar a água do pequeno reservatório até a câmara de carga, também aberta; b) entre o reservatório e a câmara de carga existe um conduto forçado que comunica o açude com uma câmara fechada . ... 52
Figura 3.3 Componentes de uma usina hidráulica de média ou baixa pressão com canal de derivação. Fonte EVE ... 53
Figura 3.4 Mini usina localizada em um curso médio de um rio com canal de derivação ... 54
Figura 3.5 Esquema de uma mini usina hidrelétrica de água corrente de média/baixa pressão. ... 55
Figura 3.6 Central a pie de presa . Fuente IDAE ... 56
Figura 3.7 Mini usina hidrelétrica ao pé da represa em caverna... 56
Figura 3.8 Mini usina localizado no canal de irrigação. Fonte: IDAE ... 57
Figura 4.1 Esquema típico de una mini usina com instalações de obra civil (Sánchez T. Ramírez, J. , ITDG-1995) ... 59
Figura 4.2 Tipos de açudes. Fonte IDAE ... 60
Figura 4.3 Corte na represa de enrocamento com impermeabilizaçãoo. Caspe, Espanha ... 60
Figura 4.4 Represa de Estremera, rio Tajo, Espanha (foto J.A.Mancebo, 2007) ... 61
Figura 4.5 Açude no rio Kaseke, Tanzânia (Foto J.A.Mancebo, 2010) ... 61
Figura 4.6 Planta de açude com detalhes de reabilitação. ... 62
Figura 4.7 Escada de peixes. Fonte: ESHA ... 62
Figura 4.8 Barreira de limpeza automática na entrada de uma tomada de água. Fonte: ESHA ... 63
Figura 4.9 Formas dos canais ... 64
Figura 4.10 Vertedouro com desarenador e vertedouro lateral em canal. (Foto J. A. Mancebo 2010) ... 64
Gráfico 4.12 Gráfico de vazão em função de dimensões do canal retangular. Fonte: IDAE ... 66
Figura 4.13 Detalhe de um desarenador na entrada da câmara de carga. Fonte Jairo Arcesio Palacios. Tese Doutoral 1998 ... 67
Figura 4.14 Detalhe de uma cámara de carga ... 68
Figura 4.15 Câmara de carga com barreira de limpeza e ensecadeira. (Foto J. A. Mancebo 2010) ... 69
Figura 4.16 Relação entre o diâmetro, número de condutos e custo relativo. Fonte: Centrais Eléctricos, Universidade Politécnica da Catalunha, UPC. ... 70
Figura 4.17 Determinação gráfica do diâmetro do conduto sob pressão. Fonte IDAE ... 71
Figura 4.18 Conduto forçado. Foto J. A. Mancebo 2010 ... 71
Figura 4.19 Mudança de direção no conduto forçado. Foto J. A. Mancebo 2010 71 Figura 4.20 Edifício na usina com barreira de limpeza e ensecadeira. Instalada no rio Júcar, Espanha (foto J.A.Mancebo, 2012)... 72
Figura 4.21 Localização do edifício da usina. Fonte ESHA ... 73
Figura 4.22 Interior da mini central hidráulica Molino de Suso (Álava – Espanha). Fonte IDAE ... 73
Figura 4.23 Seção de sistema de descarga de uma turbina Francis ... 74
Figura 4.24 Sistemas de descarga ao rio ... 74
Tabela 5.1 Classificação de mini usinas (Sánchez, T. y Ramírez, J. ITDG-Perú, 1995) ... 76
Figura 5.1 Turbina tipo Pelton de dois injetores ... 77
Figura 5.2. Elementos principais de uma usina hidráulica (modificado de Fernández, P. 2002) ... 77
Figura 5.3 Corte esquemático de uma turbina de eixo vertical ... 79
Figura 5.4 Turbina Francis. Câmara e tubo de aspiração. CH Torrelaguna, Espanha (Foto Mancebo, 2012) ... 79
Figura 5.5 Mecanismo exterior de acionamento das pás do distribuidor Fink. CH EL Atazar Espanha (Foto Mancebo, 2012) ... 80
Figura 5.6 Eixo da turbina com acoplamento. Acionamento da coroa do distribuidor. CH El Villar, Espanha (Foto Mancebo, 2013) ... 80
Figura 5.7 Turbina Pelton (alterado de Fernández, 2002) ... 81
Figura 5.8 Conduto de corrente ... 82
Figura 5.9 Modelo ideal de triângulos de velocidade de entrada e saída do rotor de Francis ... 83
Figura 5.10 Detalhe dos tubos de aspiração em uma mini usina hidráulica. ... 86
Figura 5.11 Micro turbina de ação tipo Michell-Banki (Sánchez T. e Ramírez, J. ITDG-Peru, 1995) ... 86
Figura 5.12 Tipos de turbinas hidráulicas ... 87
Tabela 5.2 Características principais das turbinas (Sánchez, T. y Ramírez, J. ITDG-Peru, 1995) ... 88
Figura 5.13 Diagrama para escolha de turbinas (Sánchez, T. y Ramírez, J. ITDG-Perú, 1995) ... 90
Figura 5.14 Escolha do tipo de turbina em função de ns e Hn ... 90
Figura 6.3 Válvula de mariposa. Fonte: COMEVAL ... 93
Figura 6.4 Válvula esférica. Fonte: COMEVAL ... 94
Figura 6.5 Usina hidráulica do canal de Isabel II em Torrelaguna (Madrid). ... 94
Figura 6.6 Localização da válvula de guarda e comporta de fechamento. Fonte: T.Adrada ... 95
Figura 6.7 Grupo óleo-hidráulico de uma turbina Francis. Fonte: IMPSA Hydro ... 96
Figura 6.8 Detalhe do grupo óleo-hidráulico em uma mini usina hidráulica. Fonte: ANDRITZ HYDRO 96 Figura 6.9 Tipos de caixas multiplicadoras de velocidade ... 97
Figura 6.10 Acoplamento de um gerador elétrico a uma turbina Kaplan de eixo vertical através de caixa multiplicadora de velocidade de eixos planetários. Fonte ISOLUX. ... 98
Figura 6.11 Distintas configurações construtivas de um gerador assíncrono. Fonte: T.Adrada ... 100
Figura 6.12 Esquema de sistema de auto-excitação estática. Fonte José Antonio Carta: Centrales de energías renovables ... 101
Figura 6.13 Esquema de auto-excitação com diodos giratórios e excitatriz de c.a. Fonte T.Adrada . 102 Figura 6.14 Esquema do sistema de excitação com gerador de contínua. Fonte T.Adrada ... 102
Figura 6.15 Detalhe construtivo de um gerador assíncrono. Fonte Google. www.monogafías.com . 103 Figura 6.16 Curva par- corriente de una máquina assíncrona. Fonte: T. Adrada ... 103
Figura 6.17 Esquema elétrico unifilar de conexão à rede elétrica de um gerador assíncrono com condensadores. Fonte: Iberdrola. ... 104
Figura 6.18. Caixas blindadas de até 36kV. A) Caixa de interruptor-seccionador. B) Caixa de disjuntor com seccionador. C) Caixa de transformadores de medida e proteção de tensão e intensidade. D) Conjunto de caixas modulares. Fonte: Fabricante Ormazabal ... 106
Figura 6.19. Esquema elétrico unifilar de conexão no lado de alta tensão. Fonte Iberdrola. ... 109
Figura 6.20. Esquema elétrico unifilar de conexão de uma central hidrelétrica de 3.5 MW a uma rede elétrica de 45 kV. Fonte: Proymeca (Madri-Espanha). ... 110
Figura 6.21. Usina hidrelétrica com saída de linha aérea e subestação fora do edifício ... 110
Figura 6.22. Subestação de intempérie ... 111
Figura 6.23. Cabo isolado de alta tensão e conector ... 111
Figura 6.24. Esquema de controle de uma pequena usina hidrelétrica ... 113
Figura 6.25 Esquema de controle de velocidade e controle de tensão. Fonte: T.Adrada ... 113
Figura 6.26 Sistema de regulação de velocidade em uma turbina Pelton ... 114
Figura 7.1 Esquema geral de um sistema de automatização. Fonte IDAE ... 116