Embed Size (px)
Citation preview
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA INTERDISCIPLINAR – PI
USINAS HIDRELÉTRICAS
Autores:
HOLLYDEYS SANTIAGO DE SOUZA
RODRIGO RAMOS DE SOUSA
Coronel Fabriciano, 29 de abril de 2012
HOLLYDEYS SANTIAGO DE SOUZA
RODRIGO RAMOS DE SOUZA
USINAS HIDRELÉTRICAS
Relatório apresentado ao Curso de Graduação em
Engenharia Mecânica do Centro Universitário do
Leste de Minas Gerais, como requisito parcial para
obtenção da nota final no Programa Interdisciplinar
do Curso de Engenharia Mecânica.
Orientador : Prof. Jorge Sussumu Yamana
Coronel Fabriciano, 29 de abril de 2012
3
LISTAS DE FIGURAS
Figura 1- Usina Hidreletrica de ITAIPU .................................................................................... 8
Figura 2 - Distribuição energética brasileira (fonte: Aneel) ....................................................... 2
Figura 3 - UHE Corumbá ........................................................................................................... 2
Figura 4 – Usina hidrelétrica em cortes ...................................................................................... 2
Figura 5 - UHE Santo Antonio ................................................................................................... 2
Figura 6 - Transmissão de força numa barragem ....................................................................... 2
Figura 7 - Vista Panoramica de uma barragem tipo arco ........................................................... 2
Figura 8 - Transmissão de força numa barragem ....................................................................... 2
Figura 9 – Barragem de Capanda ............................................................................................... 2
Figura 10 - Barragem tipo arco-gravidade ................................................................................. 2
Figura 11 - Transmissão de forças .............................................................................................. 2
Figura 12 - Vertedouro da UHE Corumbá ................................................................................. 2
Figura 13 - Vertedouro em corte ................................................................................................ 2
Figura 14 – Vertedouro de comportas ........................................................................................ 2
Figura 15 - Grades da UHE Campos Novos............................................................................... 2
Figura 16 - Material obstruindo a grade da UHE Itaipu ............................................................ 2
Figura 17 - Comporta sendo içada para manutenção ................................................................. 2
Figura 18 - Posição do Stop log em corte ................................................................................... 2
Figura 19 - Construção de um conduto forçado UHE Chapecó ................................................. 2
Figura 20 – Conduto forçado UHE Xingó ................................................................................. 2
Figura 21 - Conduto forçado UHE Tucuruí ............................................................................... 2
Figura 22 - Chaminé de equilibrio em corte ............................................................................... 2
Figura 23 - Layout de uma casa de força.................................................................................... 2
Figura 24 - Casa de força em corte ............................................................................................. 2
Figura 25 - Turbina Pelton em corte ........................................................................................... 2
Figura 26 - Turbina Pelton em manutenção ............................................................................... 2
Figura 27 - Turbina Francis ........................................................................................................ 2
Figura 28 - Turbina Francis em manutenção .............................................................................. 2
Figura 29 - Turbina Kaplan ........................................................................................................ 2
Figura 30 - Turbina Kaplan (Impsa) ........................................................................................... 2
Figura 31 - Turbina Bulbo .......................................................................................................... 2
Figura 32 - Turbina bulbo ........................................................................................................... 2
Figura 33 - Válvula Esfera.......................................................................................................... 2
Figura 34 - Válvula Borboleta .................................................................................................... 2
Figura 35 - Hidrogerador de Itaipu ............................................................................................. 2
Figura 36 - Substação de Furnas................................................................................................. 2
Figura 37 - Substação de Furnas................................................................................................. 2
4
RESUMO
O Brasil é um país que reconhecidamente possui um elevado potencial de aproveitamento das
fontes renováveis de energia. Sua matriz energética apresenta base tecnológica hidroelétrica,
que corresponde hoje a 72% do fornecimento de toda a energia consumida no país. Este fato
se deve a abundante disponibilidade destes recursos e também a uma larga experiência de
construção, uso e manutenção, que consolidou as tecnologias empregadas ao seu
desenvolvimento. A partir da década de 70, além dos parâmetros de disponibilidade e
viabilidade técnica, outro fator passou a ser considerado: os impactos ambientais que o uso de
determinados recursos possam causar e as restrições ambientais passaram a fazer parte da
busca de outras fontes de energia renováveis. Porém a construção de pequenas e grandes
hidroelétricas ainda são à base de fornecimento de energia elétrica em nosso país, que é
considerado como um país rico em recursos hídricos. O presente trabalho orientou-se em
mostrar a geração de energia elétrica em usinas de hidroelétricas.
Palavras-chave: Hidroelétrica; Recursos hídricos;
5
ABSTRACT
Brazil is a recognized country by its high potential for exploitation in renewable energy. Its
energy matrix is based in hydroelectric technology, which represents 72% of the supplying of
all energy consumed in the country today. The reason is that Brazil has abundant availability
of these resources and also a wide experience in construction, use and maintenance, which
consolidated the necessary technology applied to this development. Up to the 70's, besides the
parameters of the technical feasibility and availability, another factor had to be considered:
the environmental impacts possibly caused by the use of certain resources and the
environmental restrictions that became part of the search for other renewable energy source.
However the construction of small and big hydroelectric plants are still the basis of electric
power supply in our country, which is considered as a country rich in water resources. The
present study was oriented to show the eletricity generation by hydroelectric plants.
Keywords: Hydroelectric; Hydric resources;
6
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................7
1.1 Tema ....................................................................................................................................8
1.2 Objetivo ...............................................................................................................................8
2 ENERGIA ..............................................................................................................................8
3 BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL ..........................................................................9
4 USINA HIDRELÉTRICA ..................................................................................................10
4.1 Classificação das usinas ...................................................................................................11
4.2 Componentes de uma Usina ............................................................................................12
4.2.1 Barragem .......................................................................................................................14
4.2.1.1 Barragem tipo arco ....................................................................................................14
4.2.1.2 Barragem tipo gravidade ...........................................................................................16
4.2.1.3 Barragem tipo arco-gravidade ..................................................................................17
4.2.2 Vertedouro .....................................................................................................................18
4.2.3 Tomada d’água ..............................................................................................................19
4.2.3.1 Grades .........................................................................................................................19
4.2.3.2 Comportas e Stop-logs ...............................................................................................20
4.2.4 Órgãos de adução...........................................................................................................22
4.2.4.1 Canais de Adução .......................................................................................................22
4.2.4.2 Condutos Forçados ....................................................................................................22
4.2.4.3 Chaminé de equilíbrio ...............................................................................................24
4.2.5 Casa de força .................................................................................................................26
4.2.6 Turbinas .........................................................................................................................27
4.2.6.1 Turbinas Pelton ..........................................................................................................28
4.2.6.2 Turbinas Francis ........................................................................................................30
4.2.6.3 Turbinas Kaplan ........................................................................................................31
4.2.6.4 Turbinas Bulbo ...........................................................................................................33
4.2.7 Válvulas .........................................................................................................................34
4.2.8 Hidrogeradores ..............................................................................................................34
4.2.9 Substação ......................................................................................................................35
5 IMPACTO AMBIENTAL ..................................................................................................36
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS..............................................................................................37
7 REFERENCIAS ..................................................................................................................38
7
1 INTRODUÇÃO
O uso da força das águas para gerar energia é bastante antigo e começou com a
utilização das chamadas “noras”, ou rodas d’água do tipo horizontal, que através da ação
direta de uma queda d’água produz energia mecânica e são usadas desde o século I a.C.. A
partir do século XVIII, com o surgimento de tecnologias como o motor, o dínamo, a lâmpada
e a turbina hidráulica, foi possível converter a energia mecânica em eletricidade. Mas o
acionamento do primeiro sistema de conversão de hidroenergia em energia elétrica do mundo
ocorreria somente em 1897 quando entrou em funcionamento a hidrelétrica de “Niágara
Falls” (EUA) idealizada por Nikola Tesla com o apoio da Westinghouse.
De lá para cá o modelo é praticamente o mesmo, com mudanças apenas nas
tecnologias que permitem maior eficiência e confiabilidade do sistema. Cerca de 20% da
energia elétrica gerada no mundo todo é proveniente de hidrelétricas. Em números
aproximados, só no Brasil, a energia hidrelétrica é responsável por 509,2 TWh. São 158
usinas em funcionamento, outras 9 usinas estão em construção e existem 26 outorgadas (com
permissão para serem construídas).Uma usina hidrelétrica, no Brasil, pode ser classificada de
acordo com a sua potência de geração de energia em dois tipos principais: as PCH’s, ou
pequenas centrais hidrelétricas que produzem de 1MW a 30 MW e possui um reservatório
com área inferior a 3 km² (Resolução ANEEL N.º 394/98), e as GCH’s, ou grandes centrais
hidroelétricas que produzem acima de 30 MW.A maior hidrelétrica do mundo era a usina de
Itaipu pertencente ao Brasil e ao Paraguai.
Situada no rio Paraná Itaipu tem uma capacidade de 13.300 MW, respondendo por
20% da demanda nacional e 95% da demanda paraguaia de energia elétrica. Mas em 2009
Itaipu perdeu seu título de maior do mundo para a Hidrelétrica de Três Gargantas que foi
construída no rio Yang-Tsé, na China. Três Gargantas têm uma capacidade de produzir 85
bilhões de KWh. Claro que os impactos ambientais destes dois grandes empreendimentos são
tão colossais quanto eles próprios: Três Gargantas engoliram 13 cidades, 4500 aldeias e 162
sítios arqueológicos importantíssimos para a China. Sem contar os impactos sobre a flora,
fauna, solo, alterações do microclima da região, ciclo hidrológico e as milhares de pessoas
que tiveram de ser realocadas.
8
De fato as usinas hidrelétricas são uma fonte renovável de energia, mas isso não
significa que sejam ambientalmente corretas e nem que são menos nocivas que outras fontes
unanimemente nocivas. Uma tentativa de minimizar os impactos das hidrelétricas é a
substituição dos grandes empreendimentos por PCH’s, porém esse é ainda um tema bastante
controverso já que mesmo que em menor escala, as PCH’s também causam impactos.
1.1 Tema
Usinas hidroelétricas ou hidrelétricas.
1.2 Objetivo
Apresentar de uma forma sucinta o funcionamento de uma usina hidroelétrica, bem
como os equipamentos e a estrutura para geração de energia utilizando-se recursos hídricos.
2 ENERGIA
Energia vem da palavra grega enérgeia, que quer dizer “força em ação”. Existem
muitas fontes de energia na natureza: a luz do sol, o vento ou a água, por exemplo, são fontes
inesgotáveis que produzem energia limpa, não poluente. Na natureza, a energia está em toda
Figura 1- Usina Hidrelétrica de ITAIPU
9
parte: na força das quedas d’água, nas plantas, nos animais, na erupção de um vulcão, na luz
do sol, nos ventos.
A produção e o consumo de energia elétrica são medidos de duas formas: demanda e
energia. A demanda é a quantidade de energia que está sendo produzida ou consumida em um
determinado instante. É medida em watt(demanda instantânea) ou seus múltiplos: quilowatt
(kW), megawatt (MW) e gigawatt (GW).Uma derivação é o MW/h, quando se refere à
demanda de um período específico.A energia, por sua vez, é o resultado da soma do que foi
produzido em um determinado período, um dia, por exemplo. É medida em watt-hora ou seus
múltiplos: quilowatt-hora (kWh), megawatt-hora (MWh) e gigawatt-hora (GWh). O modelo
energético é a forma prioritária adotada por um país para produzir eletricidade. O Brasil
decidiu que a maior parte da energia (mais de 70%) seria produzida por usinas hidrelétricas,
movidas à água. Esse tipo de usina não gera poluição.
3 BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL
A geração de energia elétrica no Brasil em centrais de serviço publico atingiu 509,2
twh em 2011, resultado 10% superior ao de 2010. Permanece como principal a contribuição
de centrais de serviço público, com 87,5% da geração total. A principal fonte é a energia
hidráulica , que apresentou elevação de 3,7% em 2010. O Brasil apresenta uma matriz de
geração elétrica renovável, sendo que a geração interna hidráulica responde por montante
superior a 74% da oferta. O gráfico abaixo apresenta a estrutura da oferta interna de
eletricidade no Brasil em 2011, vale lembrar que o balanço energético de 2012 é referente ao
ano anterior ou seja 2011.
10
4 USINA HIDRELÉTRICA
Uma usina hidrelétrica pode ser definida como um conjunto de obras e equipamentos
cuja finalidade é a geração de energia elétrica, por meio do aproveitamento do potencial
hidráulico existente num rio. A geração hidrelétrica está associada à vazão do rio, isto é, à
quantidade de água disponível em um determinado período de tempo e à altura de sua queda.
Quanto maiores são os volumes de sua queda, maior é o seu potencial de aproveitamento na
geração de eletricidade. A vazão de um rio depende de suas condições geológicas, como
largura, inclinação, tipo de solo, obstáculos e quedas. É determinada ainda pela quantidade de
chuvas que o alimentam, o que faz com que sua capacidade de produção de energia varie
bastante ao longo do ano.
O potencial hidráulico é proporcionado pela vazão hidráulica e pela concentração dos
desníveis existentes ao longo do curso de um rio. Isto pode se dar de uma forma natural,
quando o desnível está concentrado numa cachoeira; através de uma barragem, quando
pequenos desníveis são concentrados na altura da barragem ou através de desvio do rio de seu
leito natural, concentrando-se os pequenos desníveis nesses desvios.
Eolica 0,4%Biomassa 4,7%
Importação 6,5%
Gás natural 6,8%
Derivados do petroleo 3,6%
Nuclear 2,7%
Carvão 1,3%
Hidráulica 74,0%
Figura 2 - Distribuição energética brasileira (fonte: Aneel)
11
Uma usina hidrelétrica compõe-se, basicamente, das seguintes partes: barragem, sistemas de
captação e adução de água, casa de força e sistema de restituição de água ao leito natural do
rio. Cada parte se constitui em um conjunto de obras e instalações projetadas
harmoniosamente para operar eficientemente em conjunto.
4.1 Classificação das usinas
Os aproveitamentos hidrelétricos podem ser divididos segundo a potência, em
pequenos, médios e grandes. Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH), segundo resolução da
Aneel nº 394 de 04/12/98, são empreendimentos hidrelétricos com potência superior a 1 MW
e igual ou inferior a 30 MW, com área total de reservatório igual ou inferior a 3,0 km².
Não existe, porém, limite claro entre os aproveitamentos médios e grandes no que se
refere à potência total instalada. Segundo a queda, os aproveitamentos podem ser
classificados em:
CGH Baixa queda (até 25 m);
PCH Média queda (de 25 a 130 m);
UHE Alta queda (acima de 130 m);
Figura 3 - UHE Corumbá
12
A classificação mais importante, no entanto, é quanto à característica de produção de energia
ou seja sua potencia, que é calculada através:
Sob este aspecto, podem ser classificadas em usinas a fio d’água e usinas de
acumulação.Usinas a fio d’água são as que não dispõem de um reservatório com volume
considerável, tendo como conseqüência uma produção irregular de energia, em função das
oscilações de vazão do rio.
Usinas de acumulação possuem um reservatório de porte suficiente para permitir uma
otimização da produção da energia em função da demanda. Para fazer uma regularização
eficiente, o reservatório deve ter um volume que varia de 50 a 150% da vazão anual do rio
naquele local, dependendo do regime da vazão do rio.
4.2 Componentes de uma Usina
Os principais componentes das usinas hidrelétricas, também são quase sempre os
mesmos: reservatório , barreira ou represa, onde fica armazenada a água que irá gerar a
energia e é, na maioria das vezes, aproveitado para atividades de lazer pela população, assim
como, é também o maior responsável pelo impacto ambiental de uma usina; o canal, por onde
a água passa assim que a porta (ou comporta) de controle é aberta enviando água para o duto
que a levará às turbinas, em algumas represas há também a chaminé que tem como objetivo
evitar o que chamamos de golpe de aríete. As turbinas, geralmente que fazem cerca de 90 rpm
(rotações por minuto); geradores, eles possuem uma série de ímãs que produzem corrente
elétrica; um transformador elevador, que aumenta a tensão da corrente elétrica até um nível
adequado à sua condução até os centros de consumo; fluxo de saída, (ou tubo de sucção) que
13
conduz a água da turbina até a jusante do rio; e as linhas de transmissão, que distribuem a
energia gerada.
Figura 4 – Usina hidrelétrica em cortes
Figura 5 - UHE Santo Antonio
14
4.2.1 Barragem
A maioria das usinas hidrelétricas utiliza uma barreira que segura a água e cria um
grande reservatório, este reservatório muitas vezes, é usado como um lago recreativo A
barragem em um aproveitamento hidroelétrico tem as seguintes finalidades principais:
Elevar o nível do rio para acumulação de água e formação de potencial
enérgético (queda);
Criar um reservatório para regularização da vazão;
Conduzir a água para um túnel, ou canal de adução (para o caso de usinas a fio
d’água).
As barragens também são utilizadas com outras finalidades tais como controle de cheias,
irrigação, navegação, abastecimento de cidades etc .
As barragens podem ser classificadas de acordo com o material utilizado em sua construção:
Barragens de Terra;
Barragens de Enrocamento;
Barragens de Concreto;
Barragens Mistas (concreto e terra ou enrocamento).
Quanto à geometria, as barragens podem ser:
- Barragens por gravidade;
- Barragens tipo arco;
- Barragens tipo arco-gravidade.
A decisão sobre o tipo de barragem deverá se fundamentar primeiro numa análise técnica e
posteriormente numa análise econômica
4.2.1.1 Barragem tipo arco
As estruturas em arco resistirem com facilidade a cargas uniformemente distribuídas
sobre seu dorso, transmitindo-as para as suas ombreiras. Nessas condições, as forças
decorrentes do impulso hidrostático são transferidas para as margens e fundo do rio. Daí, para
a sua construção, ser necessárias condições naturais especiais, ou seja: margens altas
15
constituídas por rocha resistente e sã, fundo do rio igualmente em rocha resistente e sã. Dadas
as suas pequenas secções transversais, empregam pouco material, de forma que seu peso
desempenha papel secundário no equilíbrio estático. Podem ser construídas em betão e/ou
betão(concreto) armado.
Figura 6 - Transmissão de força numa barragem
Figura 7 - Vista Panorâmica de uma barragem tipo arco
16
4.2.1.2 Barragem tipo gravidade
São aquelas em que o equilíbrio estático da construção, sob a ação das forças externas
(impulso hidrostático), realiza-se pelo próprio peso da estrutura, com o auxílio eventual da
componente vertical do impulso que atua sobre seus paramentos. A resultante de todas as
forças atuantes é transmitida, através de sua base, ao solo do leito do rio sobre o qual se apóia.
Os vazamentos são evitados por um núcleo de argila à prova de água ou ainda por concreto.
Figura 8 - Transmissão de força numa barragem
Figura 9 – Barragem de Capanda
17
4.2.1.3 Barragem tipo arco-gravidade
São barragens em forma de arco mas que funcionam num misto de barragens em arco
e por gravidade. As suas secções transversais apresentam-se bem mais espessas que as das
barragens em arco, porém mais esbeltas que as das barragens de gravidade.
Figura 10 - Barragem tipo arco-gravidade
Figura 11 - Transmissão de forças
18
4.2.2 Vertedouro
O vertedouro tem a função de descarregar o excesso de água do reservatório. Deve ser
dimensionado para que em nenhuma hipótese, mesmo durante a cheia máxima provável, o
nível de água do reservatório atinja a crista da barragem.
Em usinas de baixas descargas, o vertedouro consiste numa soleira com crista
arredondada situada numa determinada elevação. Toda vez que o nível da represa exceder o
nível da soleira, o excedente de água escoa para jusante. Este tipo de vertedouro no entanto
tem capacidade limitada de escoamento.
Para rios com vazões acima de 1000 m3/s são usados vertedouros munidos de
comportas o que permite variar a vazão escoada através do vertedouro sem que haja variações
no nível do reservatório.
O projeto de um vertedouro exige um estudo detalhado tanto em modelo matemático
como em modelos físicos reduzidos, para checar a estabilidade da obra, da formação do jato,
das comportas, da operação do vertedouro, entre outros itens. Se o vertedouro não for bem
dimensionado, a força da água pode danificar a sua estrutura, fazendo com que a barragem se
rompa, provocando graves acidentes, com danos não só para o meio ambiente, como para a
agricultura e os seres humanos que habitam a área atingida.
Figura 12 - Vertedouro da UHE Corumbá
19
As comportas normalmente utilizadas são do tipo segmento, também chamadas de
comportas de setor.
4.2.3 Tomada d’água
A tomada d’água tem finalidade de captar a água para conduzi-la às turbinas, na
tomada dágua é composta de vários equipamentos e dispositivos para condução da água. A
tomada pode ser ligada diretamente à turbina forçada que leva a água à máquina ou,
dependendo da topografia do local, pode descarregar a água captada em um canal aberto de
adução ou em uma tubulação de baixa pressão que transportará a água até o local mais
adequado para a implantação da tubulação forçada. Ela basicamente é composta de :
4.2.3.1 Grades
Na entrada da tomada d’água, estão posicionadas GRADES, cuja função é impedir a
entrada de troncos ou outros corpos que possam danificar as turbinas. As GRADES são
construídas de barra de aço verticais, apoiadas em travessas horizontais. As distâncias entre as
barras dependem do tipo e tamanho das turbinas, como mostrado abaixo:
Tubinas Pelton - 1/5 do diâmetro do injetor
Turbinas Kaplan de Porte Médio e Turbina Francis - 5 a 8 cm
Turbinas Kaplan de Grande Porte - 5 a 15 cm
Figura 14 – Vertedouro de comportas Figura 13 - Vertedouro em corte
20
As grades devem ser limpas regularmente, normalmente por equipamento automático.
4.2.3.2 Comportas e Stop-logs
As comportas utilizadas nas tomadas d’água tem a função de bloquear o fluxo de água
das turbinas em caso de paradas para manutenção ou mesmo em caso de emergência (disparo,
ruptura do conduto forçado etc.), ao menos que exista uma válvula de emergência na entrada
da turbina. São geralmente planas, do tipo Vagão ou do tipo Lagarta (com rodas).Uma
comporta compõe-se basicamente de três elementos:
Tabuleiro: é um elemento móvel que serve de anteparo à passagem da água e é
constituído de paramento e vigamento. A chapa de revestimento do tabuleiro diretamente
responsável pela barragem de água é denominada paramento;
Peças fixas: são os componentes que ficam embutidos no concreto e servem
par guiar e alojar o tabuleiro e redistribuir para o concreto as cargas atuantes sobre a
comporta;
Mecanismo de manobra: é o dispositivo diretamente responsável pela abertura
e fechamento da comporta.
São utilizados para permitir a revisão e manutenção das comportas com o reservatório
cheio. Os Stop-logs são manobrados com o auxílio de uma viga pescadora que, por sua vez, é
suportada pelo pórtico da usina.
Com o intuito de diminuir o peso a ser manobrado, os stop-logs são compostos de uma
série de elementos horizontais separados. Este arranjo também permite a utilização de
menores pórticos.
Figura 15 - Grades da UHE Campos Novos Figura 16 - Material obstruindo a grade da UHE
Itaipu
21
STOP LOG
Figura 18 - Posição do Stop log em corte
Figura 17 - Comporta sendo içada para manutenção
22
4.2.4 Órgãos de adução
O órgão de adução tem a finalidade de interligar a tomada d’água às turbinas
hidráulicas.Podem conduzir a água ao ar livre bem como por condutos forçados.
4.2.4.1 Canais de Adução
São canais, geralmente com perfil trapezoidal, utilizados em usinas de pequeno porte
com a função de levar a água do reservatório até um ponto próximo da casa de força, quando
então a água será transportada através do conduto forçado até a turbina.
4.2.4.2 Condutos Forçados
São tubulações que ligam a tomada d’água às turbinas. Podem ser embutidos ou
expostos. Seu dimensionamento é feito com base nos dados relacionados a pressão,
velocidade e vazão da água, nestes condutos podem ocorrer perda de carga. DARCY e
WEISBACH (1845), após inúmeras experiências, estabeleceram uma das melhores equações
empíricas para o cálculo da perda de carga distribuída ao longo das tubulações. ROUSE
(1946) denominou a equação de Fórmula de Darcy-Weisbach, que, também, ficou conhecida
por Fórmula Universal para o cálculo da perda de carga distribuída.
Sendo:
j = perda de carga unitária em m/m;
V = velocidade média do escoamento em m/s;
D = diâmetro do conduto em m/s;
L = comprimento do conduto em m;
g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s2;
23
f = coeficiente de perda de carga, obtido pelo Diagrama de Moody.
O coeficiente de perda de carga f é um adimensional que depende basicamente do regime de
escoamento.
Figura 20 – Conduto forçado UHE Xingó
Figura 19 - Construção de um conduto forçado UHE Chapecó
24
4.2.4.3 Chaminé de equilíbrio
A chaminé de equilíbrio é uma estrutura, em concreto ou aço, constituída de um
reservatório cilíndrico, de eixo vertical, implantada entre o trecho de adução de baixa
declividade, constituído por uma tubulação em baixa pressão e o trecho de adução de grande
declividade, constituído por uma tubulação forçada.
A chaminé de equilíbrio tem como finalidade amortecer os efeitos dos aumentos de
pressão e velocidade da água no interior da tubulação forçada causados pelo golpe de aríete
durante um acionamento rápido do dispositivo de fechamento da turbina .
Tem também a função de armazenar a água que penetra no seu interior durante o
refluxo resultante do aumento de pressão, liberando-a para a turbina quando o dispositivo de
fechamento abrir novamente.
Quando necessária a sua instalação, a chaminé de equilíbrio deve ficar o mais
próximo possível da casa de máquinas, a fim de reduzir o comprimento da tubulação forçada
e, com isso, diminuir os efeitos do golpe de aríete
Conduto forçado
Figura 21 - Conduto forçado UHE Tucuruí
25
A condição para que não haja necessidade da instalação de uma chaminé de
equilíbrio é conhecida pela relação:
Onde:
La = comprimento total do sistema de adução
H = queda bruta
Ambos os parâmetros tomados com a mesma unidade de dimensão linear.
O golpe de Aríete acontece quando a pressão normal no interior de uma tubulação
forçada sofre variações quando há mudanças súbitas de descarga. Essas mudanças são
resultantes de fechamentos ou aberturas rápidas, parciais ou totais, do dispositivo de
fechamento da turbina.
As variações de pressão podem ser positivas ou negativas, conforme o engolimento da
turbina diminua ou aumente repentinamente. Atuam em todos os pontos da tubulação forçada
situados entre a turbina e a boca livre da tubulação situada na tomada d’água, câmara de carga
ou chaminé de equilíbrio.
H
La
Figura 22 - Chaminé de equilíbrio em corte
>5
26
4.2.5 Casa de força
A casa de força tem a finalidade de alojar e proteger os equipamentos de geração e
seus auxiliares e possibilitar sua montagem e eventual desmontagem e manutenção.Há 3
possibilidades de configuração de umacasa de força , que varia muito quanto ao custo do
projeto e condições geologicas e topograficas.:
Casa de Força Fechada: construída a céu aberto, com superestrutura que
suporta o teto e as vigas para os trilhos da ponte rolante;
Casa de Força Semi-aberta: Sem superestrutura que suporte o teto e com
pórtico no lugar das pontes rolantes;
Casa de Força Subterrânea: Em caverna ou aterrada.
O arranjo da casa de força deve ser feito de forma a minimizar o custo da obra civil e
em função das dimensões dos equipamentos de geração (turbinas e geradores), porém de
forma a acomodar os auxiliares e demais equipamentos que vão dentro da mesma, tais como
os de comando e controle, proteção, sistema de regulação da turbina, sistema C.C., sistemas
de esvaziamento e drenagem, sistema de abastecimento de água, central de ar comprimido,
central de tratamento de óleo etc.
Figura 23 - Layout de uma casa de força
27
4.2.6 Turbinas
As turbinas hidráulicas dividem-se diversos tipos, sendo quatro tipos principais:
Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em usinas
com uma determinada faixa de altura de queda e vazão. As vazões volumétricas podem ser
igualmente grandes em qualquer uma delas mas a potência será proporcional ao produto da
queda (H) e da vazão volumétrica.
Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela
tomada de água à montante da usina hidrelétrica que está num nível mais elevado e é levada
através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Então a água passa por um sistema de
palhetas guias móveis que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para se
aumentar a potência as palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se fecham. Após
passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina. Nas turbinas Pelton não há um
sistema de palhetas móveis e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma
válvula. O controle da vazão é feito por este dispositivo.
Figura 24 - Casa de força em corte
28
Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial dela é
transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rotação. Devido a isto a água na
saída da turbina estará a uma pressão bem menor do que a inicial.
A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão:
Onde:
P = Potência instalada (kW) ou (CV) conforme fórmula utilizada;
Q = vazão (m3/s);
Hu = altura útil (m);
g = peso específico da água (kgf/m3);
h t = rendimento total ; onde h t = h tu x h g
h tu = rendimento da turbina
h g = rendimento do gerador
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fração da energia total da
fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência
de eixo). As principais causas da "perda" de energia nas turbinas são:
Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e
esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina.
Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor
perdido pelo aquecimento dos mancais.
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia
conforme a vazão de água e a potência gerada.
4.2.6.1 Turbinas Pelton
emCVnHQg
ptu
75
...
)(...81,9 emkWnHQp tu
29
São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 1100 m, sendo por isto muito
mais comuns em países montanhosos.
Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que os outros, e tem
o rotor de característica bastante distinta. Os jatos de água ao se chocarem com as "conchas"
do rotor geram o impulso. Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados
os 6 bocais simultaneamente, ou apenas cinco, quatro, etc. O número normal de bocais varia
de dois a seis, igualmente espaçados angularmente para garantir um balanceamento dinâmico
do rotor. Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água
se choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a
água, comum em rios de montanhas. As turbinas pelton, devido a possibilidade de
acionamento independente nos diferentes bocais, tem uma curva geral de eficiência plana, que
lhe garante boa performance em diversas condições de operação.
Figura 25 - Turbina Pelton em corte
30
4.2.6.2 Turbinas Francis
São adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim
como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Furnas e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo
Francis com cerca de 100 m de queda d' água.
Figura 26 - Turbina Pelton em manutenção
Figura 27 - Turbina Francis
31
4.2.6.3 Turbinas Kaplan
São adequadas para operar entre quedas de 20 m até 50 m. A única diferença entre as
turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este se assemelha a um propulsor de navio (similar a
uma hélice) com duas a seis as pás móveis. Um sistema de embolo e manivelas montado
dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O óleo é
injetado por um sistema de bombeamento localizado fora da turbina, e conduzido até o rotor
por um conjunto de tubulações rotativas que passam por dentro do eixo.
O acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para
uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação
das pás do rotor. As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom
rendimento em uma ampla faixa de operação.
Figura 28 - Turbina Francis em manutenção
32
Figura 29 - Turbina Kaplan
Figura 30 - Turbina Kaplan (Impsa)
33
4.2.6.4 Turbinas Bulbo
Operam em quedas abaixo de 20 m. Foram inventadas inicialmente, na década de
1960, na França para a usina maremotriz de La Rance e depois desenvolvidas para outras
finalidades. Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porem devido à baixa
queda, o gerador hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes
de chegar às pás da Turbina.
Figura 32 - Turbina Bulbo
Figura 31 - Turbina bulbo
34
4.2.7 Válvulas
São equipamentos que, instalados na entrada da caixa espiral, servem para bloquear a
passagem d’água do conduto para as turbinas. São utilizadas principalmente em
aproveitamentos que tenham conduto único para várias unidades e tem duas funções
principais:
Isolar a turbina do conduto para permitir a manutenção da unidade;
Bloquear rapidamente a vazão de água pela turbina em caso de emergência.
4.2.8 Hidrogeradores
São equipamentos acoplados a turbinas hidráulicas que irão transformar a energia
mecânica em energia elétrica. A potência unitária de cada gerador, a posição do eixo e a
rotação são definidas em função da turbina escolhida.
O arranjo dos mancais da unidade muitas vezes é especificado pelo cliente e
confirmado pelos cálculos de linha de eixo, executado pela engenharia. As características
elétricas particulares são definidas pelo sistema elétrico (rede) em que a unidade irá operar.
Figura 33 - Válvula Esfera Figura 34 - Válvula Borboleta
35
O gerador elétrico deve então atender às características impostas pelas condições
hidráulicas do aproveitamento e pelas condições elétricas do sistema de potência onde ele
estará integrado
4.2.9 Substação
Subestações são um conjuntos de equipamentos que comutam, mudam ou regulam a
tensão elétrica. Funcionam como ponto de controle e transferência em um sistema de
transmissão elétrica, direcionando e controlando o fluxo energético, transformando os níveis
de tensão e funcionando como pontos de entrega para consumidores industriais.
Durante o percurso entre as usinas e as cidades, a eletricidade passa por diversas
subestações, onde transformadores aumentam ou diminuem a sua tensão. Ao elevar a tensão
elétrica no início da transmissão, os transformadores evitam a perda excessiva de energia ao
Figura 35 - Hidrogerador de Itaipu
36
longo do caminho. Já ao rebaixarem a tensão elétrica perto dos centros urbanos, permitem a
distribuição da energia por toda a cidade. Apesar de mais baixa, a tensão utilizada nas redes
de distribuição ainda não está adequada para o consumo residencial imediato. Por isso, são
instalados transformadores menores nos postes das ruas para reduzir ainda mais a voltagem da
energia que vai diretamente para as residências, comércios e outros locais de consumo.
5 IMPACTO AMBIENTAL
Os impactos ambientais provocados pela construção de uma usina hidrelétrica são
irreversíveis. Apesar das usinas hidroelétricas utilizarem um recurso natural renovável e de
custo zero que é a água, "não poluem" o ambiente, porém alteram a paisagem, ocorrem
grandes desmatamentos provocam prejuízos à fauna e à flora, inundam áreas verdes, além do
que muitas famílias são deslocadas de suas residências, para darem lugar à construção dessa
fonte de energia. Durante a construção de uma usina hidrelétrica muitas árvores de madeira de
lei são derrubadas, outras são submersas, apodrecendo debaixo d'água permitindo a
proliferação de mosquitos causadores de doenças. Muitos animais silvestres morrem, por não
haver a possibilidade de resgatá-los. Tudo isso em nome do desenvolvimento e conforto.
Figura 36 - Substação de Furnas Figura 37 - Substação de Furnas
37
O impacto socioambiental causado pelo aumento da exploração do meio vem
crescendo dia após dia, alguns autores acreditam que seja resultado do aumento da
necessidade de energia trazido pelo progresso tecnológico. Como exemplo podemos citar as
áreas degradadas para a exploração de recursos naturais em busca da geração de energia.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Observando o processo de funcionamento de uma hidrelétrica verifica-se que construir
uma hidrelétrica requer muito planejamento, custo elevado e tem grande impacto ambiental,
mas por outro lado é uma fonte de energia limpa e renovável, que não depende de
combustíveis fósseis. Além disso o grande problema associado à geração centralizada de
energia, está na transmissão desta energia até os centro consumidores que a cada dia requerem
mais fornecimento e o impacto que cada hidrelétrica promove ao meio ambiente.
Uma possível solução deste problema parece estar na descentralização da geração, as
PCH´s ( pequenas centrais hidrelétricas ) que possuem baixo custo de instalação e causam
menores impactos ambientais e podem ser construídas em locais mais próximos aos centros
consumidores; e onde não existe potencial hidráulico a ser explorado, a utilização de outras
fontes alternativas de energia, como eólica, nuclear e fotovoltaica podem definir uma malha
energética mais sustentável.
38
7 REFERENCIAS
http://www. infoescola.com/energia/usina-hidreletrica/
http://cidadedetucurui.com/INICIO/USINA_HIDRELETRICA_TUCURUI/
Usinas Hidrelétricas – GE do Brasil
http://www.ehengenharia.com.br/
http://www.portalpch.com.br
https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2011.pdf
http://www.agsolve.com.br/
http://eduvisilva.com.sapo.pt/minihidrica.htm
http://jie.itaipu.gov.br/
http://www.forumdeenergia.com.br/
http://pet.ecv.ufsc.br/
http://www.caldas.com.br/diversos/usinade.htm
Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL)
Cemig Companhia Energética de Minas Gerais – “Critérios de Projeto Civil de Usinas
Hidrelétricas” (1994).
Eletronorte Centrais Elétricas do Norte do Brasil S.A. – Projeto básico da Usina Hidrelétrica
de Santa Isabel – Critérios Gerais de Projeto Civil – Estruturas – Brasília (Fevereiro de 1986).
ITAIPU Binacional – Usina Hidrelétrica de Itaipu – Tratamento de Fundações (1982).
Bruno Ketzer , Roteiro de cálculo com auxilio de planilha eletrônica para análise de
estabilidade em barragens de concreto por gravidade.
Aymoréde Castro Alvim Filho ANEEL – Aspectos Tecnológicos das fontes de energia
renováveis.
