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slide 1 / 26slide 1 / 26slide 1 / 26slide 1 / 261/1/2006PEA2200PEA2200PEA2200PEA2200 Aula 3: Fontes Convencionais – Geração Hidráulica
• Conceitos básicos• A usina hidrelétrica• Tipologia• Energia hidráulica no Brasil
PEA 2200 – Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade
Aula 3 – Fontes ConvencionaisGeração Hidráulica
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GGeraeraçãção hidrelo hidreléétricatrica
UHE de Itaipú – 14 GW – Brasil/Paraguai Fonte: EPE
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Conceitos bConceitos báásicos da hidrologia: sicos da hidrologia: Ciclo hidrolCiclo hidrolóógicogico
Fonte: USGS
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Área da superfície do solo capaz de coletar a água das precipitações meteorológicas e conduzi-las ao curso d’água.
Conceitos bConceitos báásicos de Hidrologia: sicos de Hidrologia: Bacia hidrogrBacia hidrográáficafica
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Exemplo de um fluviogramafluviograma típico:
VazVazãão mo míínimanima – presente 95 a 100% do tempo
Conceitos bConceitos báásicos de Hidrologia: sicos de Hidrologia: VazVazãão em um curso do em um curso d’á’água.gua.
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Conceitos bConceitos báásicos da hidrologia: sicos da hidrologia: RegularizaRegularizaçãção de vazo de vazõõeses
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HidrelHidreléétricas tricas PrincPrincíípio bpio báásico de funcionamentosico de funcionamento
Energia/tempo = Potência = mgH
m = massa que cai / seg
g = aceleração da gravidade
H = queda bruta
Se a água que cai vem de um rio tem velocidade v’ constante:
P = mgH + 1/2 mv’2
obs: 1/2 mv’2 em geral pode ser desprezada pois v’ é muita pequena
P: PotP: Potêêncianciam: m: ““VazVazãão de massao de massa””M: massa M: massa ⇒⇒ m = dM/dtm = dM/dt
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HidrelHidreléétricas tricas PrincPrincíípio bpio báásico de funcionamentosico de funcionamento
m Qρ = m/Q
Q = volume de água que escoa através do tubo / seg
PH = gHQ
g = aceleração da gravidade (9,81m/s2)
= 1000kg/m3
Potência hidráulica (PH) = 9,81 HQ (kW)
Sendo:
� H em metros
� Q em m3/s
ρ
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HidrelHidreléétricas tricas CaracterCaracteríísticassticas
�� Rendimento ou eficiRendimento ou eficiêência: ncia: Indica a eficiIndica a eficiêência da conversncia da conversãão de energia. o de energia. ÉÉ a relaa relaçãção o entre a energia entre a energia úútil obtida ( trabalho til obtida ( trabalho úútil) e a energia total consumida.til) e a energia total consumida.
0 7 6 0 8 7, ,≤ ≤η T O T
com η H ≥ 0 9 6,
0 9 4 0 8 8, ,≥ ≥η T
0 9 7 0 9 0, ,≥ ≥η g
gTHTOT ηηηη ..=onde
ηH - Rendimento do sistema hidráulico
ηT - Rendimento da turbina
ηg - Rendimento do gerador
)(81,9 kWQHPe TOTη×××=PotPotêência elncia eléétricatrica
Energia Útil Obtida (Trabalho Útil)
Perdas
Energia
Consumida
Se consideramos a energia ou o trabalho por unidade de tempo, temos:
Rendimento ou eficiRendimento ou eficiêência = Potncia = Potêência ncia úútil / Pottil / Potêência consumidancia consumidaRendimento total de uma UHE:Rendimento total de uma UHE:
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Energia geradaEnergia geradaEntão, a energia gerada depende:
Da altura de carga H; da vazão de água Q; da eficiência dos diversos componentes.
Por exemplo:
- Para uma vazão constante de 3m3/seg ;
- altura de 10m;
-Rendimento hidráulico de 95%
-Rendimento da turbina de 90%
-Rendimento do gerador elétrico de 95%
Energia diária
diahQHEd gTH /2481,9 ××××××= ηηη
Ed = 5737,23 kWh/diaEd = 5737,23 kWh/dia
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Fator de Capacidade (FC) de uma UHEFator de Capacidade (FC) de uma UHE
Curva diária de geração
Não sendo constante a vazão instantânea:
Pe (kW)Pe (kW)Potência instalada
Potência máxima
horas
Energia diária gerada
i
i
i i dtPeEd ×= ∫=
=
24
0
Potência elétrica instantânea
Potência média
Fator de capacidade Fator de capacidade -- FCFCFC = energia efetivamente gerada
Máxima energia possível de ser gerada=
i
i
i i dtPe ×∫=
=
24
0
diaP /24max ×= Pmédia / Pmáxima Então: diahFCPEd /24max ××=
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Exemplo: Exemplo: Uma usina hidrelétrica de 1 MW apresenta a seguinte curva diária de geração:
● Calcule:- Potência instalada
- Potência máxima
- Potência média
- Fator de capacidade diário
kW
horas7 12 20 24
800
500
200
● Qual a diferença entre capacidade ou potência instalada e potência máxima ?
● A potência máxima instantânea pode ser igual à potência ou capacidade instalada? Quando isto acontece?
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HidrelHidreléétricas tricas Principais componentesPrincipais componentes
� Barragens - represa
� Vertedouro
� Comportas – porta de controle
� Condutos (duto)
� Chaminés de equilíbrio ou câmara de descarga
� Casas de força : turbina, gerador, válvulas, e demais equipamentos do sistema elétrico
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Vista Vista áárea da Usina de Itaiprea da Usina de Itaipúú
barragem
vertedouro
Potência Instalada
14000 MW14000 MW
ou 14 GW14 GW
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Turbinas hidrTurbinas hidrááulicasulicas
Pelton – Henry Borden Francis – Itaipú
Kaplan – Andritz Hydro Bulbo (desenho) – Jirau
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TurbinaTurbina Acoplamento do gerador na turbinaAcoplamento do gerador na turbina
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Usina de Itaipu Usina de Itaipu -- Conduto ForConduto Forççadoado
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ConfiguraConfiguraçãção de uma casa de foro de uma casa de forççaa
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11-- Central a fio dCentral a fio d’á’águagua
�Tipos de centrais hidrelétricas
�Quanto ao uso das vazões naturais
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22-- Centrais de acumulaCentrais de acumulaçãçãoo
�Tipos de centrais hidrelétricas
�Quanto ao uso das vazões naturais
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33-- Centrais reversCentrais reversííveisveis
�Tipos de centrais hidrelétricas
�Quanto ao uso das vazões naturais
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� Tipos de centrais hidrelétricas
� Quanto à potência
� micro P < 100 kW
� mini 100 < P < 1000 kW
� pequenas 1000 < P < 30 000 kW
� médias 30 000 < P < 100 000 kW
� grandes P 100 000 kW≥
� Quanto à altura de queda d’água
� baixíssima H < 10 metros
� baixa 10 < H < 50 metros
� média 50 < H < 250 metros
� alta H > 250 metros
� Quanto à forma de captação de água
� leito de rio ou de barramento
� desvio e em derivação
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B a r r a g e m
T o m a d a d 'á g u a
C o n d u to d e a d u ç ã oS o b p r e s s ã o o u a c é u a b e r to
C h a m in é d e e q u i l í b r i o
C a s a d e m á q u in a s
R io
R e s t i t u i ç ã o d a á g u aC o n d u to fo r ç a d o
B a r r a g e mN J
T o m a d a d e á g u a
C h a m in é d e e q u i l í b r i o
C o n d u t o fo r ç a d o
C a s a d em á q u in a s
N M
Central HidrelCentral Hidreléétrica em Desviotrica em Desvio
NJ
NM
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Energia HidrEnergia Hidrááulica no Brasilulica no Brasil
Potencial Hidráulico
Brasileiro - 2012
Fonte: EPE
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Usinas HidrelUsinas Hidreléétricas no Brasiltricas no Brasil
Total de UHEs em operaTotal de UHEs em operaTotal de UHEs em operaTotal de UHEs em operaTotal de UHEs em operaTotal de UHEs em operaTotal de UHEs em operaTotal de UHEs em operaçãçãçãçãçãçãçãção = 159o = 159o = 159o = 159o = 159o = 159o = 159o = 159
Capacidade instalada em UHE: 78,37 GWCapacidade instalada em UHE: 78,37 GWCapacidade instalada em UHE: 78,37 GWCapacidade instalada em UHE: 78,37 GWCapacidade instalada em UHE: 78,37 GWCapacidade instalada em UHE: 78,37 GWCapacidade instalada em UHE: 78,37 GWCapacidade instalada em UHE: 78,37 GW
Total de PCHs em operaTotal de PCHs em operaTotal de PCHs em operaTotal de PCHs em operaTotal de PCHs em operaTotal de PCHs em operaTotal de PCHs em operaTotal de PCHs em operaçãçãçãçãçãçãçãção : 320o : 320o : 320o : 320o : 320o : 320o : 320o : 320
Capacidade instalada em PCHs: 3,87GWCapacidade instalada em PCHs: 3,87GWCapacidade instalada em PCHs: 3,87GWCapacidade instalada em PCHs: 3,87GWCapacidade instalada em PCHs: 3,87GWCapacidade instalada em PCHs: 3,87GWCapacidade instalada em PCHs: 3,87GWCapacidade instalada em PCHs: 3,87GW
As 15 Maiores UHE Brasileiras
NomePotência
(MW) Rio UFBelo Monte (em construção) 11.233 Xingú PASão Luíz do Tapajós (projetada)
8.381 Tapajós PATucuruí 8.370 Tocantins PAItaipú (parte brasileira) 7.000 Iguaçú PRJirau (em construção) 3.750 Madeira ROIlha Solteira 3.444 Paraná SPXingó 3.162 São Francisco AL/SESanto Antônio (em construção)
3.150 Madeira ROFoz do Areia 2.511 Iguaçú PRPaulo Afonso 2.462 São Francisco BAItumbiara 2.280 Paranaíba GO/MGSão Simão 1.710 Paranaíba GO/MGJupiá 1.551 Paraná SPPorto Primavera 1.540 Paraná SPItaparica 1.480 São Francisco BA
Fonte: EPE