Aula17

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE

PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS

(2)

Sumário

1. Tipos de Mini Usinas

2. Obra Civil

3. Turbinas Hidráulicas

4. Bibliografia

(3)

Tipos de Mini Usinas

As características geográficas, geológicas e ambientais determinam a localização do aproveitamento hidráulico e os componentes da obra civil mais convenientes para maximizar a transformação da energia hidráulica em energia elétrica.

Devido à grande variedade de soluções possíveis para conseguir aproveitar a maior parte de quedas hidráulicas, as mini usinas hidrelétricas podem ser classificadas tanto em função do tipo de queda, quanto por sua localização com relação à queda a ser explorada.

(4)

Tipos de Mini Usinas

Em função do tipo de queda hidráulica a explorar, as mini usinas hidrelétricas classificam-se em:

A) Mini usinas de alta pressão: estão associadas a quedas

elevadas, com mais de 200 m, e vazões pequenas.

B) Mini usinas de média pressão: instaladas em quedas

compreendidas entre 20 e 200m e vazões médias.

C) Minicentrais de baixa pressão: associadas a quedas

(5)

Tipos de Mini Usinas

Em função da localização da mini usina hidrelétrica e do tipo de captação de água a turbinar, as mini usinas podem ser classificadas em:

A) Mini centrais de água corrente

São instalações preparadas para turbinar diretamente parte da vazão de um curso natural. Segundo esta característica, os elementos construtivos ou de obra civil associados a este tipo de instalações dependerão das características hidráulicas das quedas, ensejando dois grandes grupos, as mini usinas hidrelétricas de agua corrente de alta pressão e as mini usinas de média e baixa pressão.

(6)

Tipos de Mini Usinas

(7)

Tipos de Mini Usinas

Os principais elementos da infraestrutura da obra civil necessários para este tipo de instalações são:

 Açude ou pequena represa com escada de peixes;

 Tomada de água com grade;

 Canal de derivação;

 Desarenador;

 Câmara de carga (inclui um vertedouro lateral que permite a descarga de água no caso de grandes vazões);

 Conduto forçado;

 Edifício da usina, no qual se encontra a turbina e os grupos eletromecânicos usados para a transformação da energia mecânica em energia elétrica;

(8)

Tipos de Mini Usinas

(9)

Tipos de Mini Usinas

(10)

Tipos de Mini Usinas

A mini usina de baixa pressão instalada no próprio curso do rio consiste em uma represa dotada com um vertedouro pelo qual a água transborda. Na lateral da represa se situa o edifício

em que se encontram as turbinas (Figura 3). Não possuem conduto forçado e a entrada da água às turbinas ocorre através de uma câmara aberta. Seus principais elementos são:

 Represa com vertedouros de comporta;

 Desarenador;

 Escada de peixes;

 Edifício da central.

Este tipo de mini usina não introduz modificações na vazão em nenhum trecho do rio. O tempo médio de funciona-mento destas mini usinas oscila entre 3000-4000 horas/ano.

(11)

Tipos de Mini Usinas

B) Mini usinas ao pé da represa

As mini usinas ao pé da represa dispõem de uma vazão procedente de um reservatório construído no curso de um rio através de uma represa, na qual se dispõe de uma tomada de água.

Denominam-se ao pé da represa porque a sala de máquinas está localizada na base da represa. Este tipo de mini usina pode ser usado como mini central de uso compartilhado, já que o reservatório também pode ter funções de

abastecimento de água potável às populações, ou para regular o curso dos rios e evitar as enchentes. Outra vantagem é que se garante a produção continua de energia elétrica durante todo o ano, inclusive nos meses secos.

(12)

Tipos de Mini Usinas

(13)

Dentre os tipos de usinas situadas ao pé da represa estão as de tipo caverna (Figura 5), na qual o edifício da usina se encontra

instalado no interior de uma montanha, a uma quota que pode estar abaixo do nível da descarga para evitar o fenômeno de cavitação.

(14)

(15)

Tipos de Mini Usinas

C) Usinas de uso compartilhado

São mini usinas incluídas nas redes de água destinadas a outros usos, como a irrigação, abastecimento de água potável à população e transferências de águas entre rios (Figura 6). A energia que pode ser extraída destes canais está associada à vazão excedente para seu uso principal. A vazão desviada à turbina logo é devolvida ao canal.

É importante construir um canal auxiliar que garanta o retorno da água quando a turbina não estiver operando (essas usinas operam cerca de 2000 horas/ano).

Estas instalações têm a vantagem de exercer um impacto ambiental menor, devido a que aproveitam parte dos elementos do sistema em que se integram, com a consequente redução do custo da instalação.

(16)

Tipos de Mini Usinas

(17)

(18)

Obra Civil

Conforme visto anteriormente, existem três tipos fundamentais de mini usinas hidráulicas:

 de água corrente;

 ao pé da represa;

 no canal de irrigação.

A construção de uma mini usina inclui todas as

infraestruturas necessárias para:

 derivar ou conduzir a água à usina, inclusive os desvios na fase de construção;

 devolução da água ao curso;

 alojar os componentes eletromecânicos;

(19)

Obra Civil

Em comparação com as grandes centrais hidrelétricas, as obras nas mini usinas são, geralmente, muito menores.

Dependendo da localização da mini usina, as instalações mais frequentes de engenharia civil são:

 Açude/represa com escada de peixes;

 Tomada de água;

 Canal de derivação;

 Câmara de carga com desarenador;

 Conduto forçado;

 Edifício da usina;

(20)

Obra Civil

- Açude

Essencialmente trata-se de um muro transversal ao rio, de pequena altura (máximo 15m), destinado a conseguir um regime fluvial com escoamento a montante para facilitar o desvio da água por uma lateral através de um canal de derivação. No próprio açude, ou na entrada do canal, a jusante, existirá um vertedouro de coroação que fará com que a vazão restante retorne ao rio antes de passar à usina.

Os tipos de açudes e represas, por sua forma, são variados: de gravidade, de terra ou enrocamento. Por suas características construtivas, podem ser: de concreto, de terra construída e de enrocamento com tela de impermeabilização

(21)

(22)

Obra Civil

- Escada de peixes

Facilita a subida dos peixes em suas migrações a montante do rio, interceptado pela represa da usina. Existem vários tipos de escadas que se adaptam às características especificas de cada caso, sempre utilizando uma vazão não turbinável mínima para que os peixes possam saltar contra a correnteza. Sobre as formas de construção, em alguns casos se trata de pequenas poças desniveladas por pequenas cascatas de 30 cm de queda

cada uma. Em outros casos, constrói-se um canal muito inclinado com divisórias

alternadas entre as quais a água corre em zig-zag (Figura 8) antes de cada queda.

(23)

Obra Civil

- Tomada de água

Trata-se de uma estrutura encarregada de desviar a água do açude ou represa até o canal. Nas usinas ao pé da represa é uma embocadura na parede da qual parte o conduto forçado até a turbina. Nas usinas de água corrente, a água é canalizada. A tomada também pode estar submersa e igualmente desembocar no canal.

Costumam resultar em uma série de elementos adicionais: sistemas de desbaste (barras com pentes de limpeza automáticos ou barreiras de limpeza), sistemas para evitar a entrada de peixes, uma pequena lagoa de decantação de areia e lodo, e uma comporta com vertedouro para regular a entrada de água.

(24)

Obra Civil

- Canal de derivação

O canal parte da tomada e conduz a água até a câmara de carga, de onde é conduzida pelo conduto forçado à usina.

Os canais costumam ser abertos à atmosfera, ainda que constantemente estejam cobertos em alguns trechos para evitar contaminações, avalanches de materiais de ladeiras adjacentes,

quedas de animais ou pessoas; ou para que uma elevação do terreno possa atravessá-lo através de um túnel.

Por sua forma, em uma seção transversal ao fluxo, os canais podem ser trapezoidais, retangulares, semicirculares ou de seção irregular (escolhido de forma que as perdas de energia sejam mínimas).

(25)

(26)

Obra Civil

- Desarenador e câmara de carga

Qualquer tipo de captação sempre deixa passar uma quantidade de materiais sólidos que avançam pelo sistema de condução (canal ou conduto), produzindo grandes prejuízos e deterioração em toda a estrutura da usina. A fim de evitar este tipo de inconveniente, constrói-se um desarenador.

Existem vários tipos de desarenadores aplicáveis ao desenho de pequenas usinas hidrelétricas. O objetivo principal é

aumentar a longitude do curso de água a fim de conseguir a sedimentação.

(27)

Obra Civil

O desenho mais simples e econômico consiste em um

tanque dotado de um degrau ou grade (Figura 10), para diminuir a velocidade da agua trazida pelo canal, de modo que seja possível assentar dentro do tanque as partículas

consideradas prejudiciais para a operação da usina.

(28)

Obra Civil

Não possuir um desarenador pode provocar:

 Redução da seção do canal por sedimentação;

 Redução da capacidade da câmara ou tanque de carga (diminuição do volume);

 Quando as partículas adquirem velocidade, aumenta o

desgaste do conduto, injetores e turbinas, aumentando os

(29)

Obra Civil

- Conduto forçado

O conduto forçado parte da câmara de carga e leva a água ao edifício da usina e à turbina nele instalada. É

construído de aço com reforçadores e apoios desenhados para os esforços de resistência em cada caso, incluindo os possíveis

golpes do martelo de água. No caso de micro usinas, são fabricados com outros materiais menos resistentes como fundição, fibrocimento e plásticos reforçados.

O conduto forçado é desenhado através de cálculo mecânico (resistência à solicitações constantes, a sobrepressões do martelo de água e a forças por mudanças de direção, de seção, etc.), bem como de cálculo hidráulico de velocidade, vazão e perdas de carga.

(30)

Obra Civil

O diâmetro do conduto é determinado para que as perdas de energia sejam mínimas. Estas perdas se devem a:

 Atrito de água ao deslocar-se sob grande pressão e velocidade em seu interior.

 Mudanças de direção do conduto (cotovelos verticais e horizontais), estreitamento e passagem pela válvula na entrada da turbina

 Temperatura da água. A viscosidade da água depende de sua temperatura. Costuma-se considerar 22 ºC.

 Estado superficial do conduto. Liso para um conduto novo e rugoso para um conduto antigo. Dependerá também do tipo de material com o qual esteja construído

(31)

Obra Civil

De modo semelhante a outras partes do projeto, devem-se reduzir as perdas de carga no conduto forçado, ainda que por vezes estas sejam inevitáveis quando, como se verifica na Figura 11, seja necessário manter uma floresta para minimizar o impacto ambiental. Resolveu-se o caso através de um cotovelo e um suporte de concreto, já que as forças às quais o conduto deverá resistir são consideráveis.

(32)

Obra Civil

- Edifício da usina

Neste se situa o equipamento que converte a energia hidráulica em mecânica e elétrica, e todos os elementos auxiliares: turbinas, geradores, quadros elétricos de controle,

sistema de regulação, válvula de guarda e de desvio e o sistema de descarga ao rio.

(33)

Obra Civil

A localização do edifício responde a uma seleção meticulosa baseada no projeto da central. Basicamente, procura-se:

 facilidade para a entrada do conduto forçado;

 capacidade para alojar todos os componentes;

 facilidade para a aspiração e descarga;

 cumprimento das normas relativas a este tipo de instalações,

incluída a legislação ambiental;

 minimizar o custo de implantação como medida para garantir

(34)

Obra Civil

34 - Sistema de descarga

A usina devolve a água ao rio no próprio edifício ou em suas proximidades. O sistema de descarga ao rio está formado pela saída em lâmina livre e pela descarga da válvula de desvio ou de guarda (Figura 13).

(35)

(36)

Turbinas Hidráulicas

Foram publicados vários estudos sobre os engenhos precursores das turbinas hidráulicas. A evidencia mais antiga é a

roda hidráulica romana, que tinha sido previamente

implementada na Índia e na China, e depois chegou à Europa através do Egito.

Mais tarde, durante a Idade Média e o Renascimento, generaliza-se o uso dos moinhos hidráulicos, além dos eólicos. Exemplos disso são as rodas d’água de Aleppo (Síria) e de Córdoba (Espanha). Outro caso interessante é o dos moinhos de regolfo na Península Ibérica e na América, muito próximos em sua forma e fundamentos às turbinas hidráulicas.

Logo, os estudos de Euler, Burdin e Forneyron prepararam o campo para o avanço definitivo de Pelton, Kaplan, Francis e outros.

(37)

Turbinas Hidráulicas

- Localização da turbina dentre os componentes da usina

Como visto anteriormente, um aproveitamento típico poderia ser o que está representado na Figura 14, no qual se indicam as partes principais de uma mini hidráulica, que dispõe de: uma captação em forma de represa, uma condução forçada

como sistema de alimentação da água da turbina, o edifício da usina no qual se localiza a turbina, com todos seus elementos acessórios, e o gerador elétrico.

Destaca-se que um dos menores componentes da usina

é precisamente a turbina, ainda que seja nela onde se realiza a

captura da energia hidráulica da corrente, para logo convertê-la em energia elétrica no gerador.

(38)

Turbinas Hidráulicas

(39)

Turbinas Hidráulicas

- Percurso da água na turbina

Quando seguimos a trajetória teórica da água no interior da turbina (Figura 15 e 16), encontramos seus elementos principais. Na extremidade final da condução de alimentação da água à usina (conduto forçado, canal de derivação, etc.), situa-se a câmara espiral da turbina. A mesma converte a direção do fluxo de unidirecional e tangencial à turbina, em radial, e com admissão completa de todo o perímetro até o interior da turbina.

A seção uniforme de vazão até o seguinte componente, o distribuidor, faz com que a vazão na câmara espiral seja reduzida conforme avança na periferia do distribuidor, de modo que a câmara tem uma seção decrescente, como um espiral em forma de caracol.

(40)

Turbinas Hidráulicas

(41)

(42)

Turbinas Hidráulicas

Logo, o fluxo alcança o componente giratório da turbina, o rotor, que está dividido em uma série de canais através de divisórias direcionais que conduzem a água ao mesmo tempo em que transferem parte do seu potencial energético ao próprio eixo do rotor, que o transmite, por sua vez, ao gerador elétrico.

O último trecho deste percurso pelo interior da turbina está constituído pelo tubo de aspiração. Este componente é, essencialmente, um conduto de seção crescente no sentido do fluxo, que evacua a água até o canal de desague, devolvendo-a ao curso do rio. Este elemento reduz a pressão na saída do rotor

e, assim, contribui com o aumento da queda disponível na turbina. No entanto, sua altura está limitada pela possibilidade de alcançar a pressão de saturação, com efeitos destrutivos na área de saída da água do rotor.

(43)

Turbinas Hidráulicas

(44)

Turbinas Hidráulicas

- Tipos de turbinas hidráulicas

Segundo a forma de realizar a conversão de energia hidráulica em mecânica, existem dois tipos de turbinas:

- Turbinas de ação ou de impulso (Pelton, Turgo, Ossberger ou

Michell-Banki). Trabalham sob pressão atmosférica. Toda a

energia foi convertida em cinética no conduto.

- Turbinas de reação (Francis e Hélice, ou Kaplan). Trabalham sob pressão superior à atmosférica, na entrada; como possuem um conduto de aspiração, estão em depressão na saída do rotor.

(45)

Turbinas Hidráulicas

(46)

(47)

Turbinas Hidráulicas

(48)

(49)

Turbinas Hidráulicas

Uma vez determinados a vazão e a queda disponíveis, é preciso escolher a máquina que melhor se adapte às características da queda. Existem vários critérios que ajudam nesta escolha. A Tabela 1 traz um resumo desses critérios.

a) Velocidade especifica (N_S)

Aplicável a todos os tipos de turbina, tem o mesmo valor para turbinas semelhantes. As variedades de utilização são:

 Turbinas de ação, Pelton 3 < N_S < 30

 Turbinas Michell-Banki 51 < N_S < 150

 Turbinas Francis 50 < N_S < 500

(50)

(51)

(52)

Turbinas Hidráulicas

b) Queda líquida (Hn)

As turbinas Pelton podem ser instaladas em grandes quedas, superiores a 150 m, com seu teto atual de 1.300 m. As

Francis em quedas médias, de 25 a 350 m, e as tipo hélice ou

Kaplan, em pequenas quedas, inferiores a 40 m.

Deve-se indicar que no caso das micro-turbinas, estas variações são diferentes, de modo que, por exemplo, uma micro turbina Pelton pode trabalhar com quedas menores que 50 m.

(53)

(54)

Turbinas Hidráulicas

c) Vazão de equipamento (Qe)

As vazões de até 20 m3_/s _{são melhor utilizadas pelas}

turbinas Pelton, as vazões médias, de 10 a 50 m3_/s_{, são o campo}

de trabalho das Francis e para vazões maiores costuma-se utilizar turbinas Kaplan. Esta gama varia no caso das mini-turbinas e micro-mini-turbinas.

(55)

Turbinas Hidráulicas

(56)

Turbinas Hidráulicas

- Considerações para a escolha

 A potência por unidade de peso é maior nas turbinas Pelton do que nas Francis e nas Kaplan, nesta ordem.

 Observando as curvas de rendimento em função da vazão, as

turbinas Pelton têm excelente rendimento para valores de potência entre 0,3 e 1,0 da potência máxima.

 As turbinas Francis obtém seu melhor rendimento entre 0,6 e 1,0 da potência máxima, reduzindo-se esta margem na medida em que aumenta a velocidade específica.

(57)

Turbinas Hidráulicas

 Observa-se também o campo limitado das turbinas de hélice com pás fixas, sobretudo em comparação com as turbinas

Kaplan com pás móveis, graças à possibilidade de otimizar o ângulo de ataque da corrente de água sobre as pás.

 A turbina Kaplan é mais cara (com a mesma potência) do que a turbina Francis.

 Nas quedas de pequena altura, a experiência demonstrou que é mais conveniente instalar o menor número possível de unidades, quando se instalam dois ou mais grupos é possível utilizar uma turbina de hélice para o grupo de trabalho com vazão constante e uma Kaplan para as demais vazões.

(58)

Turbinas Hidráulicas

 Com relação ao número de grupos de uma usina, deve-se considerar que a solução mais econômica é a de apenas um

grupo, mas pode ocorrer que o rendimento seja

notavelmente reduzido quando trabalha-se com cargas parciais. Neste caso, é melhor dividir o gasto em dois ou mais grupos.

 Como orientação, o custo de instalação referente a apenas um grupo : 1 grupo - 1,00, 2 grupos - 1,40 e 3 grupos - 1,60.

(59)

Bibliografia

1. Arcesio Palacios, Jairo. Optimización del diseño de pequeñas centrales hidroeléctricas de agua fluyente mediante sistemas expertos. Tesis Doctoral, ETSII- Madrid 1998. Universidad del Valle en Santiago de Cali.Colombia.

2. De Juana, José Mª. Energías Renovables para el desarrollo. Editorial THOMSON. Paraninfo.2003

3. Creus Solé, Antonio. Energías renovables. Editorial CEYSA. 2004

4. Carta González, José Antonio y otros. Centrales de energías renovables. Editorial UNED- Pearson Prentice Hall. 2009.

5. IDAE .Manuales de energías renovables. Minicentrales

hidroeléctricas.1996

6. ESHA, European Small Hydropower Association. Guide on How to

(60)