Introdução
• Em um projeto hidrelétrico a quantidade de agua determina o tamanho
da usina assim como o fluxo de caixa possível para remunerar o
investimento
• A disponibilidade mínima de agua determina o risco de falta de energia
e as restrições operativas tais como: navegabilidade dos rios, consumo
humano, uso para animais e agricultura, número de grupos geradores,
tipo de turbina hidráulica
• A quantidade máxima de agua determina os esforços máximos que as
estruturas deverão suportar, o dimensionamento dos extravasores,
obras de desvio e operação com risco controlado do reservatório, assim
como restrições operativas para impedir inundações
• Portanto, para o projeto de uma hidrelétrica é necessário entender o
ciclo hidrológico
Conceitos
• Cota: distancia vertical entre dois pontos, sendo um tomado como referência.
• Altitude: Distancia vertical de um ponto sobre a superfície da terra até o nível médio dos mares. • Curva de nível: caracteriza-se como uma linha imaginária que une todos os pontos de igual
altitude de uma região representada
• Posto fluviométrico: Sistema implantado em um local de um curso da água, o qual vai permitir conhecer, neste local, a função lâmina da água em relação à vazão.
• Batimetria: A batimetria (ou batometria) é a medição da profundidade dos oceanos, lagos e rios e é expressa cartograficamente por curvas batimétricas que unem pontos da mesma profundidade com equidistâncias verticais (curvas isobatimétricas), à semelhança das curvas de nivel topográfico.
Molinete: aparelho que serve para medir a rapidez de um curso de água.
Linígrafo: dispositivo automático que promove o registro contínuo dos níveis d’água na seção
do posto
Hidrologia aplicada à geração
• Área de drenagem: A área de drenagem é toda a área geográfica onde a
precipitação escoa para uma mesma bacia hidrográfica.
• Bacia hidrográfica: Conjunto de terras que fazem a drenagem da água das
precipitações para esse curso de água e rios menores que desaguam em
mares
Curva cota volume
Curva que permite determinar o volume do reservatório em função da cota.
Capacidade do reservatório
• O volume útil de um reservatório serve para armazenar
agua em um período de excesso hídrico para que a
mesma seja utilizada no período de carência. De acordo
com isto, o reservatório pode ser catalogado assim:
• Ciclos de carga:
– Regularização diária
– Regularização semanal
• Ciclos hidrológicos
– Regularização anual
– Regularização plurianual
Caracterização dos
reservatórios de PCH
PCHs quase sempre são a
fio
d’água.
Procura-se
manter o nível da água na
cota
da
crista
do
vertedouro.
Na PCH com regularização
diária,
a
altura
da
barragem é definida de
forma
a
deixar
um
pequeno
volume
de
armazenamento V
u.
Conceitos
• Cheia excepcional –máxima maximorum:
– Nível de água mais elevado para o qual a
barragem foi projetada.
– É geralmente fixado como o nível correspondente
à elevação máxima, quando da ocorrência de
cheia de projeto.
Níveis de operação do reservatório com
comporta
• Volume intermediário útil - : volume de reserva energética a ser utilizado na regularização
• Volume inferior ou morto - : Volume que em principio nunca será utilizado, pois somente em casos excepcionais poderá o reservatório ter seu nível abaixo da cota no nível mínimo normal -
• Volume superior ou de espera - : o qual e limitado por e pela cota do nível correspondente à cheia excepcional ou máxima maximorum - , necessitando ser estabelecido antes de . Este volume é utilizado para atenuar as cheias do projeto
Apresentação de dados hidrológicos
• Quando se deseja implantar uma Central Hidrelétrica – CH é necessário
dispor de informações hidrológicas do local. Os postos fluviométricos
permitem a obtenção dessas informações.
• A Agencia Nacional de Águas – ANA dispõe de um banco de informações
de estacoes fluviométricas espalhadas por todo o pais
Dados hidrológicos de um
posto fluviométrico
Dados de vazão diária: De grande importância no estudo de vazões extremas, máxima e mínima
Dados de vazão mensal: São de especial importância para análise hidroenergética.
Vazão específica: Relação entre a vazão de interesse e a área de drenagem Deflúvio: Vazão integralizada, volume acumulado
Carga hídrica: Relação entre o deflúvio e a área de drenagem do posto fluviométrico.
BACIAS HIDROGRÁFICAS
O Brasil possui, 8 bacias hidrográficas distintas:
Bacia do rio Amazonas;
Bacia do dos rios Tocantins e Araguaia ;
Bacia do Atlântico Norte e Nordeste; Bacia do São Francisco;
Bacia do Atlântico Leste;
Bacia dos rios Paraná e Paraguai; Bacia do Rio Uruguai;
Caracterização estatística das vazões
• Fluviograma: Gráfico que representa as vazões em uma seção transversal
do rio em função do tempo
Curva de duração ou
permanência de vazões
Mostra a probabilidade de uma vazão ser igualada ou superada.
O que representa a integral desta curva?
O que representa a área 1-4-5-1?
Curva de duração de vazão media mensal para estudos hidroenergéticos Curva de duração de vazão media diária para estudos de confiabilidade e potencia firme
Vazao firme (): Vazão com probabilidade de ocorrência maior ou igual a 95% de tempo total.
Período crítico, crítico de ciclo completo
• Período Crítico - PC: Aquele que vai, em um estudo
de regularização, com uma só vazão média, desde
o instante em que o reservatório está em seu nível
máximo até o instante em que o mesmo alcança
seu nível mínimo, sem que, neste período, tais
níveis sejam alcançados.
• Período Crítico de Ciclo Completo- PCCC:
Compreende um número de meses múltiplo de 12.
Começa ou termina junto com o período crítico.
Período seco e úmido
• Período seco e úmido: Equivale aos meses do ano
em que a vazão é inferior à vazão do período em
análise. Os meses restantes compõem o período
úmido.
• Energia firme: A energia firme de uma usina
hidrelétrica corresponde à máxima produção
contínua de energia que pode ser obtida, supondo a
ocorrência da sequência mais seca registrada no
histórico de vazões do rio onde ela está instalada
Exercício
• A partir dos dados de vazão media mensal dos anos 1970 e
1971 do Posto Santa Rosa, determine a curva de duração de
vazões.
• Calcule a vazão firme
• A vazão media e o tempo de duração
Diagrama de Rippl
O diagrama de Rippl ou curva
de massa é a integral do
fluviograma.
O diagrama de Rippl é um dos
métodos
utilizados
para
estimar o volume útil do
reservatório
Exercício
• Construa o diagrama de Rippl para o conjunto
de vazões anterior.
• Estime o volume útil necessário para manter a
vazão média calculada anteriormente.
Regularização de vazões
• O volume útil do reservatório geralmente é limitado
por questões técnicas, ecológicas, econômicas, etc.
• Com o volume fixado e conhecendo o
comportamento do rio em um período no inferior a
10 anos é possível determinar quais vazões serão
regularizadas, assim como o período de tempo.
• Um método utilizado para tal fim é o Diagrama de
Conti-Varlet ou do fio estendido
Diagrama adimensional de Conti – Varlet e o
método do fio estendido
Exercício
• Assumindo um volume igual a 40% do volume útil
calculado anteriormente, utilize o método do fio
estendido para calcular as vazões regularizadas e o
período de regularização.
• Mostre o gráfico do fluviograma e as vazões regularizadas.
• Calcule a curva de duração das vazões regularizadas.
• Calcule o período crítico.
Vazões extremas
• Cheias máximas são calculadas para dimensionamento
de obras civis (vertedouros, ensecadeiras).
• Para o cálculo da cheia máxima utilizam-se as vazões
máximas registradas em cada ano
• Vazões mínimas são calculadas para cumprir com
requisitos ambientais em geral.
• Para o cálculo de vazão mínima nem sempre utiliza-se a
vazão mínima dos anos, podendo ser utilizada a média
móvel de sete dias em um período de 10 anos Q
7,10.
Vazões extremas
• probabilidade de pelo menos uma vez vir a ocorrer a vazão de cheia
máxima ou mínima em período futuro igual ao período de
recorrência de T anos passados.
• - Risco de vir a ocorrer nos próximos N anos, pelo menos uma vez, a
vazão de cheia máxima ou mínima que ocorreu em T anos passados.
• Riscos normais para CH são:
– Praticamente inexiste prejuízos a jusante
– prejuizos a jusante são pequenos e não há possibilidade de perdas
humanas
– Prejuizos a jusante são grandes e há possibilidade de perdas humanas
Distribuição de Gumbel para cálculo de vazão
extrema
Exercício
• Calcule a vazão extrema para o seguinte
conjunto de dados usando a distribuição de
Gumbell para T=50, 1000 e 10000 anos.
Níveis e quedas
• Nível Máximo Maximorum: Determinado por restrições
ambientais, técnicas e/ou econômicas
• Nível Máximo Normal:
– Vazão de cheia máxima
– da curva de duração mensal para o histórico completo.
– =1,51 (Crista extravasora espessa sem comportas ou com elas
totalmente abertas
– =2,2 (Crista extravasora e rampa de despejo com perfil tipo
Greager ou similar)
– :Comprimento útil da crista do extravasor.
Níveis e quedas
• Deplecionamento do reservatório – d(m):
• Nível mínimo operativo - : depende do posicionamento da
tomada de água.
• Nível de Água de Montante
• Níveis de Água de Jusante
– Máximo : Observação do nível máximo no local ou obtido como Função
da vazão vertida máxima
– Mínimo: Altura associada à vazão mínima com um risco assumido de
10%
– Normal: 10% acima da média do periodo crítico de ciclo completo
Quedas
• As quedas brutas máxima, normal e mínima
são:
Vazão de projeto e potências
• A potência gerada em um aproveitamento é:
• Inicialmente, considerando todas as variáveis
constantes exceto Q, tem-se:
• Desta forma, multiplicando pelos valores do eixo das
vazões da curva de duração de vazões tem-se a curva
de duração de potências. Por sua vez, integrando esta
curva, tem-se a curva de energia em função da
potência instalada.
Curva de duração de potência e curva de
Energia Vs. Potência Instalada
Critérios de Motorização
• Critério da vazão firme: utilizado para centrais hidroelétricas isoladas
– : Potência instalada; : Vazão firme; Queda bruta normal;
• Critério do fator de capacidade: Para centrais hidrelétricas interligadas ou com
alguma capacidade de regularização.
• : Potência elétrica média do periodo crítico • : Potência elétrica instalada
• : fator de carga do sistema (0,4-0,6); : fator de perdas do sistema de transmissão na hora de ponta (0,1: sistemas pequenos, 0,02: grandes sistemas); : fator de reserva girante do sistema (0,15); : fator de perdas total do sistema (0,08-0,15)
• : Vazão media do período crítico
Critérios de Motorização
• Critério de maximização do beneficio líquido:
-Energia gerada por unidade de tempo
• : Custo unitário de implantação ($/kW)
• : fator de recuperação do capital
• N: Vida útil ou econômica da central hidrelétrica
• : Custo do capital
Guia para avaliação de potencial hidráulico
• Qual o custo total da implantação
• Qual o tempo de retorno do capital investido
• Qual a taxa interna de retorno
• Qual é a vazão do projeto
• Qual é a potência elétrica instalada
• Qual é o custo unitário de implantação
• Qual é o faturamento anual
Guia para avaliação de potencial hidráulico
(algoritmo)
• Determine a curva de duração de vazões • Determine
• Calcule a vazão do projeto como a média da curva de duração • Calcule
• Calcule
• Calcule:
• Fator de recuperação do capital • Custo unitário
• Beneficio anual líquido •
•
• Tempo de recuperação do capital • Faturamento Anual
• Taxa interna de retorno
• Se os resultados satisfazem. Senão, ajustar
