Energia Hidrelétrica
A energia hidrelétrica é uma fonte de energia renovável.
Uma fonte que não se esgota a medida que vai sendo utilizada.
Nela, a energia da água que cai é convertida em eletricidade, devolvendo-se posteriormente a água ao rio.
A hidroeletricidade é derivada do sol, que impulsiona o ciclo da água.
No ciclo da água, os rios são recarregadas em um ciclo contínuo.
Devido à força da gravidade, a água flui a partir de pontos elevados para os pontos baixos, com energia cinética incorporada ao fluxo de água.
Energia cinética é a energia do movimento.
O ser humano aprendeu a aproveitar a energia cinética na água usando rodas d’água.
A turbina hidráulica, uma evolução da roda d’água, é uma roda giratória equipada com pás, baldes, ou palhetas.
As turbinas hidráulicas
convertem a energia
cinética do fluxo da água
em queda (energia
hidráulica) em energia
mecânica giratória.
ANTECEDENTES
A primeiras rodas d’água utilizavam a energia mecânica para moer grãos e para conduzir máquinas, em serrarias ou em equipamentos de ferreiro
A tecnologia das rodas d’água evoluiu ao longo do tempo, turbinas hidráulicas são rodas d'água avançadas e muito eficientes.
As turbinas são freqüentemente encapsuladas justamente para capturar ainda mais energia da água.
Pouco depois da descoberta
de eletricidade, percebeu-se
que a energia mecânica
obtidas das turbinas poderia
ser usado para acionar um
gerador e produzir
eletricidade .
A primeira usina hidrelétrica foi construída em 1882 em
Appleton , Wisconsin, e produziu 12,5 quilowatts de
eletricidade, utilizado para iluminar duas fábricas de
papel e uma casa.
Os primeiros watts/hora (W/h) de energia hidrelétrica gerados na
América Latina e no Brasil, ocorreram nas águas do Rio Paraibuna, em
Minas Gerais. A Usina de Marmelos, em Juiz de Fora, inaugurada em
1889 por Bernardo Mascarenhas, que tinha como objetivo, ampliar sua
produção de tecidos.
Na verdade. O Brasil começou a utilizar a água dos rios para gerar energia elétrica em 1883, quando entrou em operação a usina hidrelétrica de Ribeirão do Inferno, em Diamantina (MG).
Tratava-se de uma usina de pequeno porte, destinada ao abastecimento exclusivo de uma mineradora de diamantes.
A usina, do tipo fio d’agua, foi instalada em uma queda bruta 5 m e possuía apenas dois dínamos Gramme, com 4 e 8 HP, que geravam energia capaz de movimentar bombas d’água para desmonte das formações nas minas de diamante.
A pequena Ribeirão do Inferno detinha outro grande feito para a época: possuía a maior linha de transmissão do mundo, com 2 km de extensão.
Como funciona uma Central hidrelétrica
O fluxo de água é direcionado à uma turbina hidráulica fazendo com que a turbina gire, convertendo a energia cinética da água em energia mecânica
Uma Central Hidrelétrica converte energia cinética de água
corrente (energia hidráulica) em energia elétrica.
A energia mecânica produzida pela turbina é convertida em energia elétrica utilizando um gerador elétrico.
O gerador é acionado pelo seu eixo, que está unido ao eixo da turbina.
O rotor do gerador contém eletroímãs, que ao girarem próximos as bobinas do estator produzem a indução de uma corrente elétrica.
Quanta energia pode ser extraída de um salto ou desnível ?
P
b= γ x H x Q
Onde:
Pb – Potência Bruta ou Potência Hidráulica [kW]
γ - massa específica da água - 1000 kgf/m3 = g x ρ Q – vazão [m3/s]
H – altura da queda d’água [m]
Quanta energia pode ser extraída de um salto ou desnível ?
A quantidade de energia elétrica que pode ser gerada por uma central hidroelétrica depende de dois fatores:
• vazão - a quantidade de água que flui em um determinado tempo; e
• queda - a altura a partir da qual a água cai.
Quanto maior a vazão e a queda disponível, mais
energia elétrica será produzida.
Vazão = a quantidade de água que flui
•
Quando mais água flui através de uma turbina, mais energia poderá ser produzida.
• A vazão depende das dimensões do rio e a quantidade de água que flui na mesma.
• A produção de energia é diretamente proporcional à vazão do rio, ou
seja, o dobro da quantidade de água irá produzir o dobro de energia.
Altura de queda ou altura disponível
• Quanto mais a água cai, mais força ela adquire.
• Quanto maior a barragem, maior a queda da água, produzindo mais energia.
• A produção de energia é diretamente proporcional à altura
disponível, ou seja, uma queda duas vezes maior vai produzir
duas vezes mais energia.
Aspectos ambientais de centrais hidrelétricas
Aproveitamentos hidrelétricos podem gerar muita energia,
entretanto, as grandes usinas hidrelétricas, ainda que livres
da poluição, ainda tem efeitos indesejáveis no meio
ambiente.
Impactos ambientais negativos de grandes projetos hidrelétricos:
ocorrência de inundações
alagamento de área a montante
declínio das populações de peixes
diminuição do vazão e da qualidade da água
redução da qualidade do meio ambiente a montante e a
jusante do projeto
Usinas Hidrelétricas
Usinas Hidrelétricas
Uma usina hidrelétrica ou central hidroelétrica é toda
aquela instalação de produção de energia elétrica a partir da
força da água, isto é, do aproveitamento de uma queda d'água,
da correnteza d'água existente em um rio.
Tipos de Usinas Hidrelétricas
As usinas hidrelétrica podem ser classificadas de várias maneiras, uma delas é a forma com a energia é gerada.
1. Central hidrelétrica de acumulação (com barragens)
2. Central hidrelétrica de bombeamento (reversíveis)
3. Central hidrelétrica a fio d'água
Central hidrelétrica de acumulação
Na central de acumulação a energia se origina do potencial armazenado em barragens que é levado a uma turbina hidráulica e a um gerador.
Central hidrelétrica Reversível
Princípio de funcionamento de uma central reversível clássica
Durante a noite a água é bombeada de um reservatório situado em terreno baixo para um reservatório em terreno alto e em horários de maior demanda de energia a água desce para o reservatório inferior gerando eletricidade.
Central hidrelétrica a fio d’água
Usinas “a fio d’água” são aquelas que não dispõem de reservatório de água, ou o têm em dimensões menores do que poderiam ter.
Optar pela construção de uma usina “a fio d’água” significa optar por não manter um estoque de água que poderia ser acumulado em uma barragem.
Tipos de Usinas Hidrelétricas
As usinas hidrelétrica também podem ser classificadas quanto a seu tamanho, potencia, altura de queda.
Sigla Tipo Potencia
CGH Central Geradora Hidrelétrica menos de 1 MW PCH Pequena Central Hidrelétrica Entre 1 MW e 30 MW
UHE Usina Hidrelétrica acima de 30 MW
Maiores Usinas Hidrelétricas no Mundo
Ranking Nome País Rio Capacidade Instal -
MW
1 Three Gorges Dam China Yangtze 22.500
2 Itaipu Dam Brazil - Paraguai Paraná 14.000
3 Xiluodu China Jinsha 13.860
4 Guri Venezuela Caroní 10.235
5 Tucuruí Brazil Tocantins 8.370
6 Grand Coulee United States Columbia 6.809
7 Xiangjiaba China Jinsha 6.448
8 Longtan Dam China Hongshui 6.426
9 Sayano–Shushenskaya Russia Yenisei 6.400
10 Krasnoyarsk Russia Yenisei 6.000
Principais Elementos de uma
Usina Hidrelétrica
Principais Elementos de uma Usina Hidrelétrica
Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH
1. Reservatório 2. Vertedouro
3. Barragem de concreto 4. Barragem de terra
5. Tomada d'água 6. Canal de adução 7. Câmara de carga 8. Conduto forçado 9. Casa de máquinas
10.Canal de fuga ou restituição 11.Leito original do rio
12.Rio normal
Reservatório
Acumula água para regularizar o rio e garantir uma vazão mínima a ser turbinada.
* área da Baía de Guanabara 346 a 380 km2
* área da Baía de Todos os Santos 1233 km2
Barragens
Função : As barragens tem com função o represamento da água, barrando o curso do rio e fazendo subir o nível d'água naquele ponto.
Se a barragem for de uma usina hidrelétrica, e já existir uma queda natural (desnível localizado), a barragem tem como função primordial armazenar água.
Entretanto num rio onde há desníveis contínuos ao longo do seu curso, estes podem ser concentrados por uma barragem, quando estes pequenos desníveis se somam na altura da barragem, estas barragens tem como função principal a elevação a altura de queda, junto a usina.
Tipos de Barragens
Dependendo do material de construção, as barragens podem ser classificadas em dois grandes grupos:
- barragens de concreto
- barragens convencionais de terra e/ou enrocamento
As barragens de concreto são construídas essencialmente com materiais granulares produzidos artificialmente aos quais se adicionam cimento e aditivos químicos.
As barragens de terra e/ou enrocamento são aquelas construídas com materiais naturais tais como argilas, siltes e areias ou com materiais produzidos artificialmente tais como britas e enrocamentos.
Barragens de terra/enrocamento
Destinadas ao armazenamento permanente de água devem possuir um elevado grau de estanqueidade ( deverão ter elemento de vedação).
Estas barragens são construídas com materiais próximos a usina, selecionadas, transportados, lançados e compactados com equipamentos especiais.
Devem possuir um sistema de drenagem interna eficiente, elevado coeficiente de segurança, contra a possibilidade de ocorrência de erosão interna como para possibilidade de ruptura por cisalhamento (presença de um elemento estabilizante).
As barragens de terra/enrocamento devem ter sistemas de extravasamento bem dimensionados que lhes confiram elevados coeficientes de segurança contra a possibilidade de extravasamento (transbordar sobre o topo).
Barragens de Terra
São as barragens mais comumente utilizadas
• utilizam materiais naturais com um mínimo de processamento
• podem ser utilizadas em condições de fundações menos resistentes
• maciço constituído por solos compactados em camadas sucessivas
• podem ser homogêneas ou zonadas
As barragens de terra são caracterizadas pelos seguintes elementos principais:
• zona de vedação (núcleo)
• sistema de drenagem interna
• zona resistente (espaldares) Principais desvantagens:
• cronograma de construção pode ser afetado pelas condições climáticas (execução do aterro paralisada em períodos chuvosos)
Barragens de Terra
Barragens de Enrocamento
Maciço constituído por enrocamentos (blocos de rocha) lançados ou compactados em camadas com núcleo de material terroso
• menor interferência no cronograma de execução
• menores volumes de aterro
• permitem a adoção de ensecadeira incorporada
As barragens de terra e enrocamento são caracterizadas pelos seguintes elementos principais:
• zona de vedação (núcleo)
• sistema de drenagem interna
• transições
• zona resistente (espaldares) Principal desvantagem:
• exigem fundações em rocha sã ou alterada
Barragens de Enrocamento
Barragens de Concreto
Os tipos mais comuns destas barragens são:
- barragem de concreto gravidade - barragem de concreto em arco - barragem de contrafortes
Exigem fundações e ombreiras em maciços rochosos.
Barragens de Concreto Gravidade
Forma triangular típica e estabilidade garantida pelo peso próprio da estrutura
Barragens de Concreto Gravidade
Barragens de Concreto Gravidade Aliviadas
A barragem principal da Itaipu é de concreto, do tipo gravidade aliviada. Durante a concepção do projeto, foram estudadas opções: de gravidade maciça, de gravidade aliviada, de enrocamento e em arco.
Após avaliação técnica e geológica, optou-se pela barragem de concreto do tipo
"gravidade aliviada" para a barragem principal.
Na barragem de concreto, do tipo gravidade aliviada, enormes
“ocos” em seu interior, não prejudicam seu desempenho
estrutural, porém trazem economia substancial de material e
financeira.
Barragens de Concreto Gravidade Aliviadas
Barragens em Arco
Estrutura delgada e em arco, apoiada em ombreiras e fundações rochosas
Barragens em Arco
Barragem da Usina Sayano-Shushenskaya parcialmente destruída em 2009 - Rússia e a Barragem Hoover na fronteira de Nevada com Arizona - EUA
Barragens de Concreto em Contrafortes
Utilização de lajes de sustentação ou pilares (contrafortes) ao longo do corpo da barragem
Vertedouro
Dispositivo que controla o nível do reservatório, impedindo que numa grande cheia, a água passe por cima da barragem, danificando sua estrutura.
Outros Elementos com função de verter o excesso d'água
Vertedouro tipo tulipa, boca de sino, gloria da manhã
Comportas
Dispositivos concebidos para permitir o fluxo controlado de água, empregado em usinas tanto no vertedouro quanto na tomada d'água.
Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH
1. Reservatório 2. Vertedouro
3. Barragem de concreto 4. Barragem de terra
5. Tomada d'água 6. Canal de adução 7. Câmara de carga 8. Conduto forçado 9. Casa de máquinas
10.Canal de fuga ou restituição 11.Leito original do rio
12.Rio normal
Tomada D'água
Tomada d’água: É a estrutura que permite a condução da água do reservatório para adução das turbinas. Equipada com comportas de fechamento e grades de proteção.
Canal de adução
Conduzir a água do reservatório da tomada d'água à câmara de carga. Segue uma mesma curva de nível, praticamente não tem queda.
Câmara de carga
Elemento que liga o canal de adução ao conduto forçado, não permitindo a entrada de ar neste último.
Chaminé de Equilibrio
Tem por objetivo amortecer os efeitos dos aumentos de pressão e velocidade dentro do conduto forçado, causado pelo golpe de aríete durante um acionamento rápido do dispositivo de fechamento de uma turbina.
Conduto forçado
Conduz a água sob pressão no trecho mais inclinado, até a casa de máquinas, onde irá ser turbinada.
Casa de máquinas ou casa de força
Abriga os grupos geradores (turbina e gerador elétrico) e os equipamentos de controle. Por vezes pode abrigar os equipamentos elétricos de transmissão.
Casa de máquinas - PCH
Casa de máquinas
Canal de fuga ou restituição
Devolve ao leito do rio a vazão de água que passou pela turbina e gerou energia.
Leito original do rio
Deverá se manter uma vazão mínima (denominada vazão sanitária) por motivos ambientais.
Rio normal
O trecho logo após o canal de fuga deve manter as mesmas
características originais de antes da construção da PCH.
Dentro da casa de máquinas
(casa de força)
Válvula Borboleta
A válvula borboleta tem por função a regulagem e o bloqueio do
fluxo em uma canalização. É utilizada em centrais hidrelétricas. Em
algumas centrais também se usam outras valvulas tais com a
válvula gaveta.
Válvula Borboleta
Turbina hidráulica
As turbinas hidráulicas são máquinas projetadas
especificamente para transformar a energia hidráulica de fluxo de
água em queda, em energia mecânica na forma de
torque e velocidade de rotação.
Tipos de turbinas hidráulicas
Existem vários tipos de turbinas hidráulicas.
Na escolha de uma turbina, considera-se preferencialmente de
acordo com a altura de queda existente e a vazão de água
disponível, além de outras características tais com a rotação.
Turbina hidráulica
Turbina hidráulica
Turbinas Pelton
A turbina Pelton é uma turbina hidráulica de ação (impulso) em que a pressão do fornecimento de água é convertida em velocidade por alguns bocais estacionários, os jatos de água batem nas pás montadas na borda de uma roda.
Estas turbinas são normalmente utilizadas para altas quedas ( 250 a 2500 metros) e para pequenas vazões ( entre 0.2 e 10 m3/s), sendo o número de rotações baixo. A velocidade de saída da água da turbina é muito pequena, o que permite um rendimento muito elevado (até 93%).
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Turbinas Pelton
Turbinas Pelton
Turbinas Francis
A turbina Francis foi idealizada em 1849 e tem o nome do seu inventor, a primeira turbina foi construída pela firma J.M. Voith em 1873. Tem sido aplicada largamente, pelo fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica.
Atualmente se constroem para grandes aproveitamentos, podendo ultrapassar a potência unitária de 750 MW. Turbinas construídas entre 1930 a 1950 não possuíam rendimentos superiores a 85%, hoje ultrapassam a 92% para grandes máquinas.
A turbina Francis, considerada uma turbina de reação ou seja, funciona com uma diferença de pressão entre os dois lados do rotor.
Turbinas Francis
Turbinas Francis
Turbinas a Hélice (Axial) e Kaplan
A turbina a hélice ou axial tradicional também chamada de propeller consiste basicamente de um rotor, similar a hélice de navio, ajustada internamente na continuação de um conduto, com o eixo saindo do conjunto no ponto em que a tubulação muda de direção.
Normalmente três ou quatro pás são utilizadas quando a altura de queda é relativamente baixa, podendo ter até oito pás para maiores alturas. A entrada da água é regulada por palhetas diretrizes.
O rendimento dessa turbina com vazões menores daquela do ponto normal de funcionamento tende a baixar de maneira considerável, até mais acentuada que na turbina Francis.
Turbinas a Hélice (Axial) e Kaplan
As turbinas axiais, nas quais torna-se possível a variação dos passos das pás do rotor são chamadas de turbinas propeller de pás variáveis ou, como são mais conhecidas, turbinas Kaplan.
Na turbina Kaplan, o sofisticado mecanismo de controle das pás no rotor, encarece a fabricação, mas para aplicações com vazão de fluxo variável, mantem o rendimento em valores mais elevados, que sua similar a hélice com pás fixas.
As turbinas axiais vêm apresentando grande interesse para quedas pequenas em rios de maiores vazões, essa turbina deu origem a uma série de variantes, além do conceito da turbina Kaplan, como: a turbina Bulbo, a turbina Sifão, a turbina S e até a turbina Strafflo.
Contudo deve-se salientar, que é aquela que apresenta o maior custo em relação ao kW instalado, quando comparada com as tradicionais, Francis e Pelton.
Turbinas a Hélice
Turbinas a Hélice - Kaplan
Turbinas a Hélice - Kaplan
Outras Turbinas - Bulbo
Outras Turbinas - Straflo
Outras Turbinas – Tipo S
Caixa Espiral
Caixa Espiral
Caixa Espiral
Pre -distribuidor
Distribuidor
Eixo
Tubo de sucção
Gerador
O gerador é responsável pela conversão da energia mecânica fornecida pela turbina, em energia elétrica.
Os geradores de centrais hidrelétricas podem ser síncronos ou assíncronos embora os geradores síncronos, tem maior aceitação e historicamente são os mais utilizados.
Trabalham com velocidade constante e igual à velocidade síncrona, que é uma função da frequência da tensão gerada e do nº de pares de pólos.
Gerador
Vista explodida de uma Unidade Geradora
Gerador e Turbina
Subestação elevadora
As subestações elevadoras permitem o aumento da tensão gerada, visando diminuir a corrente e conseqüentemente a espessura dos condutores e as perdas.
Isso é comumente utilizada para facilitar o transporte da energia, diminuição das perdas do sistema e melhorias no processo de isolamento dos condutores.
Transformador elevador
O transformador elevador recebe a energia na tensão de geração e a eleva até o nível adequado para a transmissão.
