188054-EE.421 02 Centrais Elétricas

Instituto Federal Sul rio-grandense

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Eltrica

Sistemas de Energia EE.421

Unidade 2

Prof. Jos Ubirajara Nez de Nunes Prof. Carlos Cardoso da Costa e Silva Jnior

08/2014

Centrais Eltricas Convencionais

3 Centrais hidreltricas

Gerao no Brasil

Matriz energtica brasileira (ago/2014) Fonte: BIG/ANEEL

Centrais hidreltricas

4

Uma usina hidreltrica ou central hidreltrica um complexo arquitetnico que tem por finalidade

transformar a energia de um rio em energia eltrica

A potncia instalada de uma usina obtida atravs de estudos energticos que so realizados por engenheiros

mecnicos, eletricistas e civis

A energia mecnica, proveninete de quedas dgua, convertida em energia mecnica atravs de um conjunto

turbina hidrulica + gerador


Uma grande hidreltrica apresenta elevados custos de construo e grande impacto ambiental,

Por outro, lado uma fonte de energia limpa e renovvel, que no depende de combustveis fsseis


Esquema bsico de uma central hidreltrica


Turbinas hidrulicas

Turbinas Pelton: So adequadas para operar entre

quedas de 350 m at 1100 m, sendo por isto muito mais

comuns em pases montanhosos.

Turbinas Francis: So adequadas para operar entre

quedas de 40 m at 400 m.

Turbinas Kaplan: So adequadas para operar entre

quedas de 20 m at 50 m. A nica diferena entre as

turbinas Kaplan e a Francis o rotor.


Turbinas Pelton

A turbina Pelton apresenta um rotor cujo formato

ilustrado na figura abaixo

Apresenta velocidade de rotao maior

do que as demais turbinas hidrulicas

A velocidade com que a gua se choca

com o rotor a eroso provocada pelo

efeito abrasivo da areia misturada com

a gua


Turbinas Kaplan

A turbina Kaplan apresenta um rotor cujo formato

ilustrado na figura abaixo

Esta se assemelha a um propulsor de navio (similar a

uma hlice) com duas a seis ps mveis


Esquema de hidreltrica com Turbina Pelton


Esquema de hidreltrica com Turbina Francis


Esquema de hidreltrica com Turbina Kaplan


Hidrogeradores

So equipamentos acoplados a turbinas hidrulicas que

iro transformar a energia mecnica em energia eltrica

A potncia unitria de cada gerador, a posio do eixo e

a rotao so definidas em funo da turbina escolhida

Os geradores sncronos usados em hidreltricas so de

polos salientes (com grandes nmero de polos) devido a

baixa velocidade de rotao das turbinas hidrulicas


Estator de um hidrogerador


Rotor de um hidrogerador


Aspectos operacionais Aproveitamentos

Usinas a fio dgua: so as que no dispe de um reservatrio com volume considervel, tendo como

consequncia uma produo irregular de energia, em

funo das oscilaes de vazo do rio.

Usinas de acumulao: possuem um reservatrio de

porte suficiente para permitir uma otimizao da

produo da energia em funo da demanda. Para fazer

uma regularizao eficiente, o reservatrio deve ter um

volume que varia de 50 a 150% da vazo anual do rio

naquele local, dependendo do regime da vazo do rio.


Usina de Itaipu


Usina de Tucuru


Aspectos operacionais Estudos realizados

Estudos hidrolgicos

Estudos geolgicos

Estudos topogrficos

Estudos hidroenergticos

Estudos econmicos

Estudos ecolgicos


Estudos hidrolgicos

Estes estudos so fundamentais para estabelecer a

vazo de uma usina, uma vez que, a potncia da usina

definida pelo produto vazo x queda

Para isto, o DNAE ( Departamento Nacional de guas e

Energia) mantm postos fluviomtricos nos principais

rios do pas. Estes postos registram a vazo mdia diria

bem como o nvel do rio no local

Para se ter segurana no projeto da usina, necessrio

que estes levantamentos abranjam um perodo de pelo

menos 20 anos consecutivos.


Estudos geolgicos

Os estudos geolgicos tm por finalidade levantar as

caractersticas e a configuraes do subsolo.

Estes estudos so fundamentais para o projeto,

principalmente no que se refere s fundaes,

necessidade de impermeabilizao etc.

Servem tambm para levantar a disponibilidade de

materiais a serem usados nas construo tais como

rochas, areias, argilas etc.


Estudos topogrficos

Consiste no levantamento do perfil do local do

aproveitamento atravs de curvas de nvel, e servem

para determinao da rea a ser inundada,

dimensionamento do volume do reservatrio, projeto das

barragens etc.

Este levantamento feito atravs de aerofotogrametria e

levantamentos topogrficos terrestres.


Estudos hidroenergticos

Estes estudos tm por finalidade calcular a energia que

pode ser produzida pelo aproveitamento e por

conseqncia, a renda proporcionada pela venda desta

energia.


Estudos econmicos

Estes estudos tm por finalidade confirmar a viabilidade

econmica do aproveitamento. Baseado principalmente

nos estudos geolgicos e topogrficos, faz-se um

levantamento dos custos de construo, custos de

desapropriao das terras a serem inundadas, custo dos

equipamentos etc. e compara-se com a renda a ser

produzida pela venda da energia a ser gerada.


Estudos ecolgicos

Consiste no estudo do impacto a ser causado ao meio

ambiente pela construo do reservatrio, e na anlise

de alternativas para se minimizar este impacto tais como

construo de escadas para peixes, captura de animais

ilhados durante o enchimento do reservatrio etc.


Arranjo geral

Comportas do Vertedouro

Barragem

Vertedouro emergencial

Casa de Fora

Vertedouro


Tipos de barragens

Tipo Arco: estas estruturas resistem com facilidade a cargas

uniformemente distribudas sobre seu dorso, transmitindo-as para as

suas ombreiras. Para a sua construo, so necessrias condies

naturais especiais, ou seja, margens altas constitudas por rocha

resistente e s, fundo do rio igualmente em rocha resistente e s

Tipo Gravidade: so aquelas em que o equilbrio esttico da

construo, sob ao das foras externas (impulso hidrosttico),

realiza-se pelo prprio peso da estrutura, com o auxlio eventual da

componente vertical do impulso que atua sobre seus parmetros

Tipo Arco Gravidade: So barragens em forma de arco mas que

funcionam num misto de barragens em arco e por gravidade. As

suas seces transversais apresentam-se bem mais espessas que

as em arco, porm mais esbeltas que as das barragens de

gravidade.


Barragem tipo Arco


Barragem tipo Gravidade



UHE BARIRI AES TIET-BARRAGEM MISTA TERRA / CONCRETO



UHE CACONDE AES TITE-BARRAGEM DE TERRA - TIPO GRAVIDADE



UHE CORUMB FURNAS (BARRAGEM COM NCLEO DE ARGILA)


Barragem tipo Arco Gravidade


O grande problema associado a gerao centralizada de energia est na transmisso desta energia at os

centros consumidores

A possvel soluo deste problema parece estar na descentralizao da gerao, as PCHs (pequenas centrais hidreltricas) que possuem baixo custo de

instalao e causam menores impactos ambientais

As PCHs podem ser construdas em locais mais prximos aos centros consumidores

Em locais onde no h potencial hdrico, a utilizao de fontes alternativas como elica e fotovoltaica podem

definir uma malha energtica mais sustentvel

Pequenas Centrais Hidreltricas

35

De acordo com a resoluo n 394 - 04-12-1998 da ANEEL-Agncia Nacional de Energia Eltrica, PCH (Pequena Central Hidreltrica) toda usina hidreltrica de pequeno porte cuja capacidade instalada seja superior a 1 MW e inferior a 30 MW. Alm disso, a rea do reservatrio deve ser inferior a 3 km.

Centrais termeltricas

37 Centrais termeltricas

O processo fundamental de funcionamento das centras termeltricas baseia-se na converso de energia trmica em energia mecnica e

esta em energia eltrica

A produo de energia trmica pode se dar pela transformao da energia qumica dos combustveis, por meio do processo de

combusto, ou pela energia nuclear dos combustveis radioativos,

com a fisso nuclear

Centrais cuja gerao baseada na combusto so conhecidas como termeltricas; as baseadas na fisso nuclear so chamadas

de centrais nucleares


Classificao quanto forma de combusto

Combusto externa: o combustvel no entra em

contato com o fluido de trabalho. Este processo usado

principalmente nas centrais termeltricas a vapor, nas

quais o combustvel aquece o fluido de trabalho (em

geral, a gua) em uma caldeira at gerar o vapor que, ao

se expandir em uma turbina, produzir trabalho

mecnico.

Combusto interna: a combusto se efetua sobre uma

mistura de ar e combustvel. Dessa maneira, o fluido de

trabalho ser o conjunto de produtos da combusto. Este

processo usado em turbinas a gs e nas mquinas

trmicas a pisto (motores a diesel, por exemplo).


Funcionamento


Principais combustveis de centrais a vapor

leo

Carvo

Biomassa (madeira, bagao de cana, lixo, etc.)

Derivados do petrleo


Petrleo e seus derivados cenrio atual

encontrado na maioria das vezes em depsitos subterrneos dos

quais retirado atravs de poos

O primeiro poo para utilizao comercial foi perfurado em 1859,

nos EUA. O querosene extrado destinava-se basicamente a

iluminao

O Oriente Mdio o grande mercado exportador, contendo mais de

60% das reservas naturais de petrleo, figurando o resto do mundo

como mercado importador, em que se destacam os EUA

Mesmo com todos os problemas associados ao seu uso, o petrleo

ainda deve ser o principal componente da matriz energtica mundial

por um longo perodo, pois seus custos so bem mais baixos que os

dos combustveis concorrentes


Carvo mineral cenrio atual

Apesar de j conhecido e utilizado na China em 1100 a.C., o carvo

s foi difundido com o advento da revoluo industrial no sc. XVII

Atual ele ocupa a segunda posio na matriz energtica mundial,

devido principalmente ao seu baixo custo (que varia de regio para

regio, principalmente pelo peso que o transporte tem no seu custo

final)

A dificuldade e os elevados custos no transporte fazem com que

apenas 10 % da produo mundial seja comercializada

internacionalmente

No Rio Grande do Sul encontram-se a maioria dos recursos

carbonferos identificados na regio Meridional do Brasil, em torno

de 89 % do total nacional


Gs natural cenrio atual

Basicamente composto pelo gs metano (seu principal

componente), etano, propano, butano e outros mais pesados

Embora seja uma fonte no-renovvel, apresenta relevantes

benefcios ambientais na substituio do petrleo e do carvo

mineral, pois sua composio faz com que seja pouco poluente

Atualmente, EUA, ex-URSS e Canad respondem por 51,7 % da

produo mundial de GN, sendo os maiores importadores os EUA,

Alemanha e Japo, enquanto os maiores importadores so Rssia,

Canad e Arglia

No Brasil, o crescimento do consumo de gs natural parece ter

como fatores limitantes os investimentos necessrios sua

produo e pequena rede de distribuio existente


Biomassa cenrio atual

A biomassa aproveitada energeticamente atravs do uso do

etanol, bagao de cana, leo vegetal, lenha e outros

O crescimento da biomassa tem como principal limitante o preo dos

combustveis fsseis e necessitou at hoje de subsdios para tornar-

se competitiva economicamente

No Brasil, j existem florestas energticas implantadas,

principalmente para o suprimento de usinas siderrgicas do estado

de Minas Gerais, colocando o pas em vanguarda do conhecimento

mundial em tecnologia florestal


Potncia gerada e energia produzida

A potncia gerada e a energia produzida em uma central

termeltrica depende de vrios fatores. Destacam-se, dentre as

variveis medidas, a presso e a temperatura

Esta gerao baseia-se em alguns ciclos termodinmicos bsicos

(tericos e prticos)

O ciclo terico aplicvel as termeltricas a vapor o ciclo de Carnot

e o ciclo base para as aplicaes prticas, o de Rankine


Usina termeltrica de Candiota


Usina termeltrica de Uruguaiana


Turbinas a vapor


Geradores sncronos

Os geradores sncronos usados em termeltricas so

cilndricos ou de polos lisos (com pequeno nmero de

polos) apresentando alta velocidade de rotao devido

ao acionamento de turbinas a vapor


Geradores sncronos

Referncias


Power System Analysis. 5 ed.

Grainger, J. J.; Stevenson, Jr. W.

http://www.dee.ufc.br

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