Dimensionamento da potência elétrica gerada de uma
Microcentral Hidrelétrica
Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen
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Geração de Energia
A altura de queda e a vazão disponíveis devem ser adequadamente medidas para que se possa determinar o potencial hidráulico disponível no local onde se pretende instalar a central. Diversos procedimentos, métodos e equipamentos podem ser utilizados para esse fim, sendo alguns mais rápidos e simples, porém com resultados menos precisos, e outros com resultados mais precisos, porém mais complexos e mais demorados. Além disso, os diversos métodos têm sua aplicação relacionada aos volumes e alturas a medir.
Dimensionamento da potência elétrica gerada de
uma Microcentral Hidrelétrica
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A forma mais simples de medição da vazão é através do método do flutuador, que recebe esse nome devido ao fato de se utilizar um objeto flutuante para medição da velocidade do fluxo. A seguir é feita uma breve descrição desse método de medição.
Medição da vazão
O método do flutuador pode ser utilizado para cálculo da vazão em cursos d’água como ribeirões e rios. É preciso encontrar um trecho de rio retilíneo e com comprimento entre 5 e 10 metros, sem corredeiras e sem obstáculos, como galhos ou pedras. Para utilização deste método são necessários os seguintes materiais:
Método do Flutuador
- Dois pedaços de corda;
- Quatro estacas;
- Vara de Bambu graduada de 10 em 10 cm;
- Trena;
- Cronômetro;
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Para obtenção da vazão deve-se então, com as estacas, marcar a distância “d” entre 5 a 10 metros, nos dois lados do rio, fixando-as no chão. Medir com a trena a largura do rio “L” (distância entre margens), e com o bambu a profundidade “P”, em que diversos pontos da região mediana do trecho. Realizar o cálculo da média aritmética dos valores de profundidade obtidos conforme equação a seguir, de forma a obter a profundidade média:
Método do Flutuador
n
P P
P
P
MP
n
1 2 3
Determinar então as áreas das secções transversais do rio no inicio e no final da secção (A1 e A2), multiplicando o valor da profundidade média obtida através da relação anterior, pela largura do rio.
Deverá ser considerada como área para cálculo a média entre as duas secções obtidas.
Método do Flutuador
2 1
2 2
2
1 1
1
A A A
P L
A
P L
A
M M
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Método do Flutuador
Preparação da secção do rio para medição
Método do Flutuador
Preparação da secção do rio para medição
De posse da área média, em (m²). passa-se à determinação da velocidade d água no trecho do rio. Para isso torna-se necessário ter um cronômetro e um objeto que flutue. Esse objeto pode ser uma garrafa descartável com ¾ de água
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Método do Flutuador
Preparação da secção do rio para medição
Lançar o flutuador a uns 3 metros de distância da corda inicial (1), para que haja estabilização de seu movimento e para dar tempo de outra pessoa se posicionar perto da corda inicial. Iniciar a marcação do tempo assim que o flutuador ultrapassar a corda inicial.
Acompanhar o percurso, mantendo a marcação de tempo, até o flutuador chegar à segunda corda, quando então o cronômetro deverá ser travado, obtendo-se assim o tempo gasto para fazer o percurso.
Deverão ser realizados, no mínimo, 10 medições, anotando os tempos encontrados. Calcular o tempo médio, através da média aritmética dos valores anotados, utilizando a expressão a seguir:
10
10 3
2
1
t t t
t
Mt
A velocidade “VM” será dada pela relação entre a distância “d”
considerada e o tempo médio “tM”, obtido conforme relação anterior.
M M
t
V d
Método do Flutuador
Preparação da secção do rio para medição
A água do fundo e próximo ás margens flui mais lentamente. Por esse motivo recomenda-se multiplicar a velocidade encontrada por um fator de correção CQ
Natureza das Margens CQ
Margens e fundo lisos 0,85
Margens e fundo em alvenaria 0,83
Margens e fundo escavado no solo 0,80
Margens com vegetação e fundo liso 0,75
Margens com vegetação e fundo pedregoso 0,70
Coeficiente de correção da vazão medida com o método do flutuador
Assim, o cálculo a vazão do rio no trecho escolhido é dado por:
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Outros métodos de medição de vazão
Outros métodos possíveis para medição de vazão são:
- dos vertedouros;
- da declividade;
- de volume/tempo;
- da dissolução;
- dos molinetes;
- e ainda os métodos acústicos.
Medição da queda
A forma mais simples de medição da queda é através da mangueira de nível, que é realizada utilizando-se uma mangueira transparente cheia de água.
Medição da queda através da mangueira de nível
Este método consiste na utilização de duas réguas com escala e uma mangueira transparente cheia de água. A mangueira é a mesma que pedreiros usam na construção civil. Recebe o nome de mangueira de nível porque, após um período necessário para estabilização, a água nas duas extremidades da mangueira fica na mesma altura, o que permite calcular a diferença de nível entre dois pontos do terreno.
As duas réguas deverão ser colocadas na posição vertical, uma no ponto 1 e a outra no ponto 2 do local estabelecido. Em seguida, deve- se aproximar a mangueira de nível cheia de água das réguas e anotar
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Medição da queda
Medição da queda através da mangueira de nível
As duas réguas deverão ser colocadas na posição vertical, uma no ponto 1 e a outra no ponto 2 do local estabelecido. Em seguida, deve- se aproximar a mangueira de nível cheia de água das réguas e anotar o valor marcado em ambas.
Medição da queda
Método da mangueira de nível
Através da figura percebe-se que há um desnível de 2 para 1. O desnível é denominado pela letra “h” e para calculá-Io basta subtrair as medidas encontradas na régua, da seguinte forma:
1
2 h
h
h
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Medição da queda
Método da mangueira de nível para nivelamentos sucessivos
Para medir um trecho longo e/ou um grande desnível, deve-se realizar nivelamentos sucessivos. Neste caso o desnível total é dado por:
h
2h
1 h
4h
3 h
6h
5
h
Outros métodos de medição da altura de queda
Outros métodos possíveis para medição da altura de queda são:
- os métodos da mangueira e manômetro;
- do nível de carpinteiro;
- do altímetro;
- ou ainda utilizando teodolitos, níveis,
estações totais ou GPS.
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Estimativa da potência hidráulica disponível
Depois de determinar a vazão e a altura de queda do curso d’água pode-se estimar a potência hidráulica disponível, através da seguinte expressão:
H Q
P H 6 , 2
, em watts [kW]Escolha da turbina hidráulica
A escolha da turbina hidráulica levará em
consideração a vazão e a altura de queda. Para
cada condição de vazão e altura de queda existirá
uma turbina especifica que apresentará um melhor
rendimento, permitindo uma melhor conversão da
energia hidráulica em mecânica. A escolha do tipo
turbina será feita utilizando um gráfico que leva em
consideração a Vazão x Altura de queda, como das
figuras (a) e (b) a seguir:
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Escolha da turbina hidráulica
Figura (a) – Seleção da turbina hidráulica em função da H x Q, para microcentrais.
Escolha da turbina hidráulica
Figura (b) – Seleção da turbina hidráulica em função da H x Q, para microcentrais.
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Escolha da turbina hidráulica
Figura (b) – Seleção da turbina hidráulica em função da H x Q, para microcentrais.
Potência do Gerador (P
G)
A potência do gerador (PG) é determinada através da potência mecânica da turbina (Pmec) e pelo rendimento do gerador, ou seja:
, em watts [kW]
9 ,
0
mec
G P
P
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Exercício do dimensionamento do gerador de uma microcentral hidrelétrica
Com a seguintes informações apresente o cálculo de uma vazão medida através do método dos flutuadores. Considere o fator de correção CQ de valor igual a 07.
Cálculo da vazão medida através do método do flutuador
1°) Supondo que o trecho escolhido do rio tenha 8 m de comprimento;
2°) Supondo uma largura constante e igual a 3 m;
3°) Foram realizadas 5 medições de profundidade nesse trecho de rio, tendo sido obtidos os resultados 0,2 m, 0,3 m, 0,5 m, 0,4 m e 0,1 m, respectivamente;
4°) Supondo que o flutuador foi lançado dez vezes e cada tempo cronometrado, tendo sido obtido como resultado os tempos de 10s, 10s, 9s, 10s, 9s, 11s, 10s, 10s, 10s e 11s.
Q = 0,504 m³/s
Exercício do dimensionamento do gerador de uma microcentral hidrelétrica
Com a seguintes informações apresente o cálculo da altura de queda medida através do método da mangueira de nível
Cálculo da queda através da mangueira de nível
Imagine que as medidas encontradas na figura são as seguintes:
h1= 20cm, h2 = 160cm, h3 = 10cm, h4 = 170cm, h5 = 10cm
h6 = 165cm;h7 = 15cm e h8 = 170cm; h9 = 25cm e h10 = 175cm;
h11 = 10cm e h12 = 170cm; h13 = 5cm e h14 = 175 cm;h15 = 10cm h16 = 160cm; h17 = 10cm; h18 = 165cm; h19 = 15cm e h20 = 160cm
h = 15,4 m
