Potência Gerada em uma Usina Hidrelétrica

Em um empreendimento hidrelétrico, onde o processo de conversão energética acontece em etapas, com suas respectivas parcelas de energia perdida, tem-se a qualificação das potências e rendimentos durante o processo.

Tomando-se, conforme apresentado na Figura 14, um perfil hidráulico representativo de uma instalação hidrelétrica, onde se tem dois reservatórios (inalterados) interligados por um conduto, cujo escoamento se dá pela ação gravitacional (superior para o inferior), passando por uma turbina hidráulica 4T6 que aciona um gerador elétrico 4G6, sendo a rotação 4n6 do conjunto controlada por um regulador de velocidade 4R6, onde:

Q - vazão 8m:< =;_s

N$ - Nível de montante 4m6; N# - Nível de jusante 4m6;

H& - Altura de queda bruta ou queda bruta 4m6; γ - peso específico da água _{8N m}< =.:

e sabendo que a referência é o nível de jusante>N_#? e os pontos 1 e 2 representam a entra e a saída da turbina, respectivamente, conceitua-se as quedas, potências e rendimentos como se segue.

A. Potência Bruta 4@A6 e Potência Útil 4@6

A altura de queda bruta ou simplesmente queda bruta, H_&, é a diferença de cotas entre os limites do nível de montante e de jusante >N_$− N_#?, ou seja, diferença entre o nível d'água máximo normal de montante e normal de jusante.

Assim a potência bruta é dada por:

P&= γQH& (1)

Nem toda energia representada pela queda bruta é aproveitada pela turbina. Uma parte é consumida por ação de atrito hidrodinâmico ao longo da tubulação e devido ao efeito dos componentes e dispositivos intercalados na adução da água (grades, limpa grades, comportas, válvulas, curvas, bifurcações e etc), de modo que sobra somente uma parte da energia total

para ser cedida à turbina para acioná-la (energia contada desde a entrada até a saída da turbina). Essa energia hidráulica disponível para mover a turbina chama-se queda disponível ou queda útil 4H6.

Figura 14: Perfil hidráulico esquemático de uma usina hidrelétrica

Aplicando Bernoulli ao escoamento que ocorre no circuito de adução (Figura 14), ou seja, desde o nível de montante 4N_$6 até a entrada da turbina (ponto 1) tem-se:

H& =_*DE0D

1

2E zFE G (2)

onde: D

* - altura piezométrica ou carga piezométrica ou altura representativa da pressão estática no ponto 14m6;

0D1

2 - altura dinâmica ou carga devido à velocidade ou altura representativa da velocidade no ponto 1 4m6;

zF - altura potencial ou carga de posição ou cota do ponto ou altura topográfica no ponto 1 4m6;

G - queda perdida no circuito de adução até a entrada da turbina 4m6; ou seja

portanto, a chamada potência disponível ou potência hidráulica ou ainda potência útil 4P6, que é a potência absorvida pela turbina, correspondente a vazão sob a queda disponível (altura de queda útil), é dada por

P = γQH (4)

ou ainda

P = η_. P_& (5)

onde:

η – rendimento do circuito hidráulico.

B. Potência de Eixo 4@I6

Nem toda queda útil 4H6 é aproveitada, pois conforme MACINTYRE (1983):

(i) Uma parte, J_, é perdida no domínio da turbina, devido a atritos, turbilhonamentos, vórtices e irregularidades no escoamento, próprios a cada tipo de instalação - são as perdas de carga na turbina;

(ii) Outra parte, J_, chamada de perdas de vazão, decorre do fato de que uma parcela da descarga que entra na turbina se perde devido a folgas existentes entre o receptor e as paredes fixas. Nesse tipo de perda, uma parte, Q_F, escoa entre a coroa do receptor e a tampa e penetra no tubo de sucção pelos furos geralmente existentes no receptor, com o fim de evitar pressão elevada devido ao empuxo axial transmitido pela coroa do rotor e consequente sobrecarga do eixo sobre o mancal; já a outra parte, Q₂, escoa entre a coroa e a parede do anel distribuidor e vai também para o tubo de sucção. Existe, pois, uma perda volumétricaJ_, que nas turbinas modernas é relativamente reduzida.

O receptor da turbina só recebe então, realmente, uma parcela de energia H_$, que é denominada queda motriz.

Então,

H = H$E JE J (6)

assim podemos escrever que

H_$= H − J_− J_ (7)

O rendimento interno da turbina (determinado por ensaios) é

onde: P_! - Potência interna da turbina.

Ainda segundo MACINTYRE (1983), da queda motriz H_$, uma parte J_ é aplicada em vencer as resistências passivas mecânicas, principalmente nos mancais e equipamentos auxiliares aclopados diretamente à árvore da unidade. Resta apenas a parcela H_K chamada queda útil final, como energia utilizável no acionamento do gerador elétrico. Portanto,

H_$ = H_KE J_ (9) assim o chamado rendimento mecânico é dado por

η_$ =_L

J (10)

onde: P_' - Potência de eixo.

Tem-se que o rendimento total da turbina é dado por

η_%= η_!. η_$ (11) Finalmente temos que a potência de eixo, que é a potência fornecida pelo eixo da turbina ao gerador é

P'= γQHK (12)

ou seja

P_'= η_%. P (13)

C. Potência Elétrica 4@_IM6

A potência elétrica,P_', ou seja, potência gerada, é dada por

P' = η. P' (14) As perdas no gerador elétrico também são determinadas por ensaios e o rendimento do gerador é dado por

η= _LN_L (15)

Considerando o rendimento global da usina,η, tem-se

η  = η. η%. η (16)

P' = η . P& (17)

que, por fim, permite calcular a potência gerada por uma usina hidrelétrica

P' = ηη%. η. P& (18)

D. Potência Instalada 4@OPQR6 e Potência Líquida >@MOS?

A Resolução ANEEL nº 420, Art. 2º, define que a Potência Instalada é a “capacidade bruta (kW)” que determina o porte da central geradora para fins de outorga, regulação e fiscalização, definida pelo somatório das potências elétricas ativas nominais das unidades geradoras principais da central. Sendo que a potência elétrica ativa nominal de uma unidade geradora é definida como a máxima potência elétrica ativa possível de ser obtida nos terminais do gerador elétrico, respeitados os limites nominais do fator de potência, e comprovada mediante “dados de geração” ou “ensaio de desempenho”.

Assim o conceito de potência instalada pode ser expresso na seguinte expressão: P!()% = T 4P(F '6₍ (19) Onde n é o número de unidades geradoras.

Segundo a mesma resolução, a Potência Líquida é a “potência elétrica ativa (kW) máxima” disponibilizada pela central geradora, definida em termos líquidos no seu ponto de conexão, ou seja, descontando da potência bruta gerada o consumo em serviços auxiliares e as perdas no sistema de conexão da central geradora e comprovada mediante “dados de geração” ou “ensaio de desempenho”.

A Figura 15 representa as etapas da conversão energética em uma central hidrelétrica, onde P₎é a potência utilizada para os serviços auxiliares da central.