Aula02Centraishidrelétricas

BC-0207 Energia: origens, conversão e uso BC 0207 Energia: origens, conversão e uso

Aula 2 – Centrais hidrelétricas

Prof. João Moreira

CECS - Centro de Engenharia Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas CECS Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas

Universidade Federal do ABC – UFABC 2º.Quadrimestre, 2010

Índice

 Energia potencial gravitacional e geração

hidráulica

 Conversão em energia mecânica  Conversão em energia elétrica  Conversão em energia elétrica  Aspectos hidrológicos

 Créditos:

 Hi i h +Kl i b h E i i bi t  Hinrichs+Kleinbach, Energia e meio ambiente  Twidell+Weir, Renewable energy resources

Potência hidráulica

 A potência hidráulica depende da vazão que

passa pela turbina e da altura.

p p

 A turbina converte energia potencial

gravitacional em energia cinética rotacional gravitacional em energia cinética rotacional.

Energia cinética da água antes de Energia cinética da água antes de passar pela turbina

 A água ao chegar na turbina tem bastante velocidade

(energia cinética)

( g )

 A energia potencial gravitacional se transforma em

energia cinética g

 A potência hidráulica em função da velocidade da

água antes de entrar na turbina é: água antes de entrar na turbina é:

Conversão da energia potencial em Conversão da energia potencial em energia de rotação

 A água passando pela turbina

empurra as pás e faz girar o eixo da empurra as pás e faz girar o eixo da turbina

 T ansfe e ene gia potencial em  Transfere energia potencial em

energia cinética rotacional do eixo da t bi

Potência

Potência

• Potência é definida como a taxa temporal de li ã d t b lh

realização de trabalho.

Potência de rotação

 A potência do eixo é dada pelo produto do  A potência do eixo é dada pelo produto do

Potência de rotação – turbina Potência de rotação turbina hidráulica A água passa pela turbina, faz o hélice girar o eixo e gerar potência

Energia cinética de rotação do eixo Energia cinética de rotação do eixo da turbina

 Um movimento circular de um eixo

Conversão da energia cinética Conversão da energia cinética rotacional em energia elétrica

 Torque mecânico  Torque mecânico

 Força motriz eletromagnética  Torque elétrico

Tipos de turbinas de hidrelétricas Tipos de turbinas de hidrelétricas modernas

Visão esquemática da turbina Visão esquemática da turbina Pelton de impulso

Turbina Pelton de impulso

Jato copo

copo

Turbina com 4 jatos de água. A soma das vazões dos jatos totaliza a vazão do aproveitamento.

Turbinas de reação modernas

Turbinas de reação modernas

Potência mecânica no eixo e Potência mecânica no eixo e escolha do tipo de turbina

 η é a eficiência da transformação de energia potencial hidráulica em rotacional do eixo

 Tratamento depende do tipo de turbina:

 Impulso

 Reação

Potência mecânica e velocidade Potência mecânica e velocidade angular do eixo  L é um número adimensional d i d ú d denominado número de forma da turbina  Turbinas de impulso: r=R/12  Turbinas de reação: r=R

 η = 0,9 para as turbinas dos

Escolha entre turbinas de reação e Escolha entre turbinas de reação e de impulso

 Baixa altura H, baixa velocidade do fluido e grande vazão

exigem turbinas de reação

 Altura elevada H, velocidade alta e vazão pequena é melhor

utilizar turbinas de impulso

 Na turbina de reação a pressão da água dentro da turbina

pode ser inferior a pressão de vapor da água

 Bolhas e vapor se formam no fluido

 Ao se colapsarem as bolhas causam cavitação que aumenta

com velocidade mais elevada com velocidade mais elevada

Turbinas de reação

 Eficiência da turbina de reação cai

it d d ã

muito com a queda de vazão

 Com baixa vazão, a água não se choca Com baixa vazão, a água não se choca

com as pás com ângulo certo

 Turbinas com pás ajustáveis resolvem

este problema mas são caras este problema, mas são caras

Eficiências máximas para diferentes bi f ã d ú d f

turbinas em função do número de forma

Tipos de forças eletromotrizes

Tipos de forças eletromotrizes

 É a força que causa o movimento dos elétrons no condutor e permite vencer as forças impeditivas p ç p (atrito) associadas à resistência elétrica.

 Força eletromotriz eletrostáticaç  Força eletromotriz piezoelétrica

 Força eletromotriz termiônica e termoelétrica (termopares)

 Força eletromotriz fotoelétrica ou fotovoltaica

 Força eletromotriz química (baterias)

Força eletromotriz

ç

eletromagnética

 Lei de Faraday

 A força eletromotriz produzida em um circuito  A força eletromotriz produzida em um circuito

elétrico, fem, é igual ao negativo da taxa de variação do fluxo de campo magnético na área delimitada pelo circuito, Φ

Origem da força motriz g ç eletromagnética

 A variação do fluxo de campo magnético pode ser

conseguida de duas formas:

 Pela variação do campo magnético através da área delimitada pelo

circuito

 Pelo movimento do circuito causando uma variação no fluxo  Pelo movimento do circuito causando uma variação no fluxo

magnético através da área

 Para se criar uma corrente elétrica em algum material é

necessário que alguma força seja exercida sobre a carga elétrica

 Qualquer material, mesmo condutor, apresenta resistência

Força de Lorentz

Força de Lorentz

 Há duas forças que atuam sobre uma carga elétrica

 Força elétrica  Força magnética

 Ambas atuam de forma independente e podem ser

superpostas Assim reunidas constituem a força de superpostas. Assim, reunidas, constituem a força de Lorentz

onde q é a carga elétrica, E é o campo elétrico, v é a velocidade da carga elétrica e B é o campo de indução magnética. 

Força motriz eletromagnética

Força motriz eletromagnética

 A variação do fluxo de campo magnético por meio do movimento

do circuito perpendicularmente a um campo magnético faz com h j f éti d i t id d B t d b que haja uma força magnética de intensidade qvB atuando sobre as cargas. Assim, ocorre a força eletromotriz.

 A variação do fluxo de campo magnético por meio da variação ç p g p ç

do campo propriamente dito causa o surgimento de um campo elétrico,

Experimento de Oersted – Geração Experimento de Oersted Geração de campo magnético

 O experimento de Oersted mostrou que a corrente

elétrica passando por um fio cria um campo magnético ao seu redor.

ao seu edo

 A corrente elétrica passando por um solenóide cria um

campo magnético (linha tracejada) semelhante a um magneto.

Experimento de Oersted

 Fechando o circuito, a corrente

elétrica ascende a lâmpada e causa elétrica ascende a lâmpada e causa, também, uma variação no campo

magnético (vide bússola) magnético (vide bússola).

Geração de eletricidade

 Ao se variar o fluxo de indução magnética

no interior da espira ocorre a geração de corrente elétrica

Vista de um gerador elétrico de Vista de um gerador elétrico de uma central de potência moderna

Trabalho elétrico

Fo elét i Força elétrica

Potência elétrica

 Deriva-se o trabalho em relação ao tempo

elétrico para se obter a potência elétrica

Potência elétrica

 A potência fornecida pelos circuitos é definida como o

Geração hidrelétrica no mundo

 Grandes centrais – mais que 150 MWe  Pequenas centrais – menos que 50 MWe

á

Comparação entre Itaipu e Três Comparação entre Itaipu e Três Gargantas na China

Pequenas centrais hidrelétricas Pequenas centrais hidrelétricas PCHs

Regime hidrológico Regime hidrológico

Regime hidrológico

 Usinas de reservatório

 Durante a estação das chuvas acumula se água  Durante a estação das chuvas, acumula-se água

nos reservatórios para uso na estação seca

 U i fi d’á

 Usinas a fio d’água

 Usinas que não tem reservatório ou tem

reservatório constante no tempo

 As usinas na Amazônia serão deste tipo para