Teste Rele SEL 421 Distancia Quadrilateral CE6006 Automatico
188054-EE.421 02 Centrais Elétricas
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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
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Centrais Eltricas Convencionais
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3 Centrais hidreltricas
Gerao no Brasil
Matriz energtica brasileira (ago/2014) Fonte: BIG/ANEEL
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Centrais hidreltricas
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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
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5 Centrais hidreltricas
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
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6 Centrais hidreltricas
Esquema bsico de uma central hidreltrica
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7 Centrais hidreltricas
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.
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8 Centrais hidreltricas
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
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9 Centrais hidreltricas
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
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10 Centrais hidreltricas
Esquema de hidreltrica com Turbina Pelton
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11 Centrais hidreltricas
Esquema de hidreltrica com Turbina Francis
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12 Centrais hidreltricas
Esquema de hidreltrica com Turbina Kaplan
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13 Centrais hidreltricas
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
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14 Centrais hidreltricas
Estator de um hidrogerador
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15 Centrais hidreltricas
Rotor de um hidrogerador
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16 Centrais hidreltricas
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.
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17 Centrais hidreltricas
Usina de Itaipu
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18 Centrais hidreltricas
Usina de Tucuru
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19 Centrais hidreltricas
Aspectos operacionais Estudos realizados
Estudos hidrolgicos
Estudos geolgicos
Estudos topogrficos
Estudos hidroenergticos
Estudos econmicos
Estudos ecolgicos
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20 Centrais hidreltricas
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.
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21 Centrais hidreltricas
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.
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22 Centrais hidreltricas
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.
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23 Centrais hidreltricas
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.
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24 Centrais hidreltricas
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.
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25 Centrais hidreltricas
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.
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26 Centrais hidreltricas
Arranjo geral
Comportas do Vertedouro
Barragem
Vertedouro emergencial
Casa de Fora
Vertedouro
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27 Centrais hidreltricas
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.
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28 Centrais hidreltricas
Barragem tipo Arco
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29 Centrais hidreltricas
Barragem tipo Gravidade
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30 Centrais hidreltricas
Barragem tipo Gravidade
UHE BARIRI AES TIET-BARRAGEM MISTA TERRA / CONCRETO
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31 Centrais hidreltricas
Barragem tipo Gravidade
UHE CACONDE AES TITE-BARRAGEM DE TERRA - TIPO GRAVIDADE
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32 Centrais hidreltricas
Barragem tipo Gravidade
UHE CORUMB FURNAS (BARRAGEM COM NCLEO DE ARGILA)
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33 Centrais hidreltricas
Barragem tipo Arco Gravidade
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34 Centrais hidreltricas
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
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Pequenas Centrais Hidreltricas
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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.
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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
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38 Centrais termeltricas
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).
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39 Centrais termeltricas
Funcionamento
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40 Centrais termeltricas
Principais combustveis de centrais a vapor
leo
Carvo
Biomassa (madeira, bagao de cana, lixo, etc.)
Derivados do petrleo
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41 Centrais termeltricas
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
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42 Centrais termeltricas
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
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43 Centrais termeltricas
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
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44 Centrais termeltricas
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
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45 Centrais termeltricas
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
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46 Centrais termeltricas
Usina termeltrica de Candiota
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47 Centrais termeltricas
Usina termeltrica de Uruguaiana
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48 Centrais termeltricas
Turbinas a vapor
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49 Centrais termeltricas
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
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50 Centrais termeltricas
Geradores sncronos
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Referncias
51 Centrais termeltricas
Power System Analysis. 5 ed.
Grainger, J. J.; Stevenson, Jr. W.
http://www.dee.ufc.br