ENE-101 Fundamentos da Energia Aula 6 ENE-101 Fundamentos da Energia Aula 6

ENE-101 Fundamentos da Energia

Aula 6

ENE-101 Fundamentos da Energia

Aula 6

Pr of. D r . Jose Ru ben s Ma i or i n o

En g en h a r i a d e En er gi a

CECS

Energia Renováveis II

• Hidroelétricas

ENERGIA HIDRÁULICA

PRIMÓRDIOS: Rodas d’água

Roda d’água semi-submersa: Alimentada por baixo, opera com baixa altura de carga com eficiência entre 20% e 40%.

Roda d’água de peitoral: Pode ser operada com

grande nível d’água sobre a roda e utiliza tanto o fluxo de água quanto a altura de

carga para aumentar sua eficiência (em torno de 65%)

ENERGIA HIDROELÉTRICA

Princípios Físicos

• Energia Hidráulica = Energia Potencial Gravitacional • Ao descer pelo canal da barragem, a energia potencial

se converte em energia cinética : mgh=mv2_{/2→v=√2gh(}

velocidade na saída do canal

Potência :

P=dEp/dt=m’gh

Princípios Físicos

• Definido Q = vazão volumétrica, em m3_{/s, a vazão mássica pode ser}

escrita na forma

m´=ρAv= ρQ

• A potência nominal ou efetiva da usina pode ser calculada pelo

produto do potencial hidroelétrico e pela eficiência da planta, isto é:

P_e=η ρghQ

• O fator de utilização (ou fator de carga) de uma usina é definido : F_c=E_gerada/E_max

onde:

E_gerada = Energia gerada pela usina em um ano

ENERGIA HIDROELÉTRICA

Após descer pelo canal, a água será alimentada a uma turbina hidráulica. Basicamente, a água empurra as pás da turbina, fazendo girar seu eixo. Conversão de energia cinética em energia mecânica( Máquinas de Fluxo). Três tipos principais de turbinas (existem outros tipos):

a.Turbina de reação (Kaplan) : altas vazões de água, pequenas alturas b.Turbina Francis : altas vazões de água, alturas moderadas

Turbina de reação (Kaplan)

Turbina de reação (Kaplan): •altas vazões de água

•Escoamento axial

ENERGIA HIDROELÉTRICA

Usina de Itaipu: Potência de 14.200 MW

• 20 Turbinas Francis  Escoamento radial

• Construída no Rio Paraná (fronteira entre Brasil e Paraguai)

Turbina de impulso (Pelton)

Turbina de impulso (Pelton) : •baixas vazões de água

ENERGIA HIDROELÉTRICA

Usina Henry Borden: (projetada para 889 MW, hoje opera com 108 MW)

•Construída em Cubatão (1926) (usinas externa e subterrânea) •Aproveitamento da diferença de cota entre o planalto e a baixada •Turbinas Pelton

Turbinas de Bulbo

Turbinas de Bulbo:

•Unidade geradora com um turbina Kaplan e um gerador envoltos por uma cápsula •Cápsula imersa no curso d’água

•Grande vedação e pequeno espaço para manutenção •Quedas abaixo de 20 m

•Usinas de Santo Antonio e Jirau: •44 turbinas de bulbo cada

ENERGIA HIDROELÉTRICA

Regime hidrológico:

Tipo de Usinas Hidroelétricas

•

USINAS DE RESERVATÓRIO

•Durante a estação das chuvas,

acumula-se água nos reacumula-servatórios para uso na

estação seca

•

USINAS A FIO D’ÁGUA

•Usinas que não tem reservatório ou tem

reservatório constante no tempo

Consumo de Energia Elétrica

ENERGIA HIDROELÉTRICA

Dados

• HIDROELETRICIDADE:

•Gerada no Brasil: 85% •Gerada no Mundo: 16%

• Exemplos de grandes usinas hidroelétricas no Brasil: •Itaipu (14.200 MW)  _{Rio Paraná}

•Tucuruí (8.370 MW)  _{Rio Tocantins}

•Em construção:

•Jirau (3.300 MW)  _{Rio Madeira}

•Santo Antonio (3.150 MW)  _{Rio Madeira}

• Belo Monte (11.233 MW)  _{Rio Xingu}

SITUAÇÃO BRASILEIRA

• Pequenas montanhas e plateaus (100 a 1000 m): •Favorece formação de rios e quedas

•Chuvas abundantes (exceto no NE): •Altas vazões dos rios Condições

privilegiadas para alto potencial para geração hidroelétrica.

• Necessidade de barragens: Grande impacto ambiental e social

• Potencial hidroelétrico = 260 GW

• Potencial utilizado (28,5%) = 74 GW

Energia Eólica

Máquinas de Fluxo

Transformação da Energia do

Máquinas de Fluxo

• Máquina de Fluxo é uma máquina de fluido em que o escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo

E_mecânica E_cinética E_pressão.

Teoria Básica

( Mecânica dos Fluidos)

A equação de Bernouli, pode ser deduzida da forma integral da quantidade de movimento, considerando: i) Escoamento Permanente, ii) Ausência de Atrito,iii)escoamento ao longo de uma linha de corrente, e iV) incompressível:

Fluidos não ideais -Perda de Carga

γ α Rugosidade g V D L f p e 2 2 ρ = ∆

Fator de fricção, f=0,184/Re0,3 formula de Darcy

Calculo da Perda de Carga

• Perdas Maiores(distribuídas)- Fator de

Atrito(escoamento completamente desenvolvido, A=cte)

Ventos

Cálculo da Eficiência de um

Moinho de Vento

v_i vr vf

p_i=p_r

rotor

p_f=p_r-Δ_p

ENERGIA EÓLICA

Base teórica

• Uma turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento que passa através da área varrida pelo rotor e a

transforma em energia elétrica. A potência elétrica é função do cubo da velocidade de vento v( vide

demonstração):

 ρ= densidade do ar em kg/m3

 A_r = π.D2/4, onde D é o diâmetro do rotor  C_p = coeficiente aerodinâmico de potência

do rotor

 η= eficiência do conjunto

ENERGIA EÓLICA

Base Teórica

• Usualmente, rotação é inversamente proporcional ao diâmetro D:

• Rotação do rotor: rpm=1150/D (fórmula empírica) • Diâmetro de rotores: 40 a 80 m

• Rotações: 30 a 15 rpm (segura e visível aos pássaros) • Velocidades acima de 12,5 a 15 m/s

Potência Teórica(kW) de Vários

Rotores

21600

5400

1350

216

100

12000

3125

781

125

80

6400

1600

400

64

65

2700

675

169

27

50

800

200

50

8

30

100

25

6

1

20

V(km/hr)

Energia Eólica

Limitantes

• A geração de grandes quantidades de

eletricidade usando Energia Eólica necessitará

de uma grande numero de geradores e ocupar

grandes áreas.

• Segundo Goldenberg seriam necessário ~20000

rotores de ~15 m de raio operando

continuamente com eficiência de 25% num

vento de ~30 km/hr para produzir ~1 GWhr

• Esta energia seria equivalente a uma área de

Gerador Eólicos

Potencial Eólico

Brasil

VELOCIDADES MEDIAS TRIMESTRAIS, A 50M DE ALTURA