Geração de Energia Elétrica (GEE)
Geração de Energia Elétrica
Aula 3
Centrais Hidrelétricas
SHaffner - http://slhaffner.phpnet.us - haffner@ieee.org
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Geração de Energia Elétrica (GEE)
Componentes básicos de uma Central Hidrelétrica
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1.
Barragem
2.
Tomada d’água e
condutos forçados
3.
Casa de força
4.
Vertedouro
5.
Subestação
elevadora
2
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1.
Barragem
2.
Tomada d’água e
condutos forçados
3.
Casa de força
4.
Vertedouro
5.
Subestação
elevadora
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Componentes básicos de uma Central Hidrelétrica
1.
Barragem


para criar diferença de níveis (montante >> jusante → maior potência)
para formar um reservatório

compensação – volume suficiente apenas para regularização das
descargas semanais ou diárias (usinas fio d’água)

acumulação – maiores, com capacidade para regularizar vazões de um
mês, ano ou mais
 atenuam o efeito da variabilidade das afluências naturais:

armazenamento nos períodos úmidos

deplecionamento nos períodos secos
 importante função no controle das cheias

durante período úmido, parte do reservatório fica vazia =
volume de espera

conflito de objetivos com produção de energia, pois reduz a
capacidade de armazenamento

usinas de bombeamento (reversíveis) – possuem 2 reservatórios em
níveis diferentes – rendimento ~ 70%
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
Barragem de concreto

de gravidade - constituídas por uma parede de concreto que resiste pelo
próprio peso à impulsão da água e transmite as solicitações à fundação
Barragem de gravidade

Barragem em arco ou abóbada
em arco ou em abóbada – construídas em vales apertados, podendo ter
altura maior que largura. Podem apresentar dupla curvatura, vertical e
horizontal. Curvatura horizontal permite transmitir a força da impulsão da
água para as margens.
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
Barragem de concreto (gravidade)
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
Barragem de concreto (arco)
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
Barragem de aterro

de terra – constituídas de solos de jazidas ou obtidos das escavações
obrigatórias, sendo compactados por equipamentos mecânicos.
Barragem de terra

Barragem de enrocamento
de enrocamento – constituídas por um maciço de blocos de rocha de todos
os tamanhos cuja vedação é obtida através de uma membrana impermeável.
A membrana pode ser colocada à montante ou no centro da barragem,
verticalmente ou inclinada. Ela pode ser de solo impermeável, concreto
armado, concreto asfáltico, aço e etc.
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
Barragem de aterro (mista)
Obs.: Randon -> rocha, um quartzito
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2.
Tomada d’água e condutos forçados


para conduzir por gravidade a água do reservatório até casa de força
pode ser compreendido por:

câmara de carga – estrutura que interliga o sistema de baixa pressão
em canal com o de alta pressão
 na partida garante que não entre ar no conduto forçado
 nas paradas bruscas devem garantir estabilidade funcional do
sistema de adução

chaminé de equilíbrio – estrutura que interliga o sistema de baixa
pressão em encanamento com o de alta pressão
 na partida garante que não entre ar no conduto forçado
 nas variações de vazão suavizam os efeitos do golpe de ariete

duto forçado – sistema de alta pressão que leva a água às turbinas
hidráulicas
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
Tomada d’água
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
Tomada d’água – barragem tipo abóbada
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
Conduto forçado
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
Conduto forçado
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3.
Casa de força



local onde estão instalados

grupos turbina-gerador

equipamentos auxiliares

canal de restituição ou canal de fuga (para devolver a água para o rio)
deve visar operação e manutenção (facilitar montagem e desmontagem dos
equipamentos instalados)
tipos de turbinas

ação: Pelton – transforma energia cinética d’água em trabalho
 construídas com eixo vertical ou horizontal
 rotor da turbina gira no ar

reação: Francis, hélice pás fixas ou móveis (Kaplan) – transforma
energia cinética e de pressão d’água em trabalho
 rotor gira dentro da corrente d’água
 fluxo d’água orientado e distribuído igualmente pela região periférica
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
Turbina Pelton de eixo horizontal, com 2 injetores
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
Turbina Pelton de eixo vertical, com 6 injetores
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
Turbina Pelton – ajuste da vazão/potência

realizado por intermédio de:

agulha (mais lento para suavizar golpe de ariete) e

defletores (mais rápidos)
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
Turbina Francis
Caracol para distribuição
d’água e controle do fluxo
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Formas dos rotores de acordo
com velocidades específicas ns
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
Turbina Francis – componentes
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
Turbina Francis
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
Turbina hélice de pás fixas
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
Turbina hélice de pás fixas (gerador transpassado pela água)
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
Turbina hélice de pás móveis (Kaplan)
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
Turbinas – indicação em função da altura da queda H
> 600 m → Pelton
100 a 600 m → Francis e
Pelton
15 a 80 m → Kaplan e
Francis
5 a 20 m → Kaplan
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
Turbinas – tipos e velocidades específicas
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
Geradores
 síncrono
 pólos salientes
 geralmente múltiplos de 4 pólos
 necessita de alimentação CC (capacidade de black-start)

gerador auxiliar para produção de CC

excitatriz estática
 em função das perdas, máquinas de grande porte necessitam
sistema de refrigeração (em circuito fechado, para evitar entrada de
corpos estranhos)
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
Geradores
rpm 
120 f
p
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4.
Vertedouro



para liberação da água sem passagem pela casa de força
dimensionado para permitir escoar a enchente estando o reservatório com 60
a 80% de sua capacidade.
inclui mecanismo para reduzir a velocidade da descarga
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
Vertedouro
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5.
Descarga de fundo

abertura em forma de galeria ou túnel (fechada por comporta ou válvula) que
atravessa ou circunda a barragem

finalidades:





esvaziar ou rebaixar o nível d’água (manutenção ou inspeção)
eliminar sólidos decantados no reservatório
liberar água durante parada das turbinas
escoar águas de enchentes
desviar o rio durante a construção da barragem
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
Descarga de fundo
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6.
Subestação elevadora



para elevar a tensão do nível de geração (geralmente ≤ 23 kV) para níveis de
transmissão (geralmente ≥ 230 kV)
em grandes centrais apresentam elevados níveis de curto-circuitos
unidades transformadoras

trifásicas (mais barato)

bancos de unidades monofásicos (unidade reserva mais barata)

o transporte pode dificultar o uso de unidades trifásicas
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