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Srie Energias Renovveis

MICROCENTRAIS HIDRELTRICASISBN 978-85-60856-05-7

Fbio Jos Horta Nogueira Geraldo Lcio Tiago Filho

Srie Energias Renovveis

MICROCENTRAIS HIDRELTRICAS1 EdioOrganizado por Geraldo Lcio Tiago Filho

Itajub, 2007.

Obra publicada com o apoio do Ministrio de Minas e Energia e da Fundao de Apoio ao Ensino Pesquisa e Extenso de Itajub

Edio Centro Nacional de Referncia em Pequenas Centrais Hidreltricas Presidente: Ivonice Aires Campos Secretrio Executivo: Geraldo Lcio Tiago Filho Reviso ngelo Stano Jnior Adriana Barbosa Organizao Prof. Dr. Geraldo Lcio Tiago Filho Colaborao Camila Rocha Galhardo Projeto Grfico Orange Design Editorao e Arte-Final Adriano Silva Bastos

Sumrio1.0 Introduo 04 1.1 Vantagens e limitaes das microcentrais hidreltricas 06 1.2 Justificativas para o uso das microcentrais hidreltricas 07 1.3 Exerccios 07 2.0 Princpios de energia hidrulica 08 3.0 Arranjos mais comuns 10 4.0 Componentes das microcentrais 13 5.0 Grupos geradores 19 5.1 Turbinas hidrulicas 21 5.2 Seleo das turbinas 25 5.3 Reguladores de velocidade 26 5.4 Geradores eltricos 27 5.5 Chaveamento e proteo 28 5.6 Transformadores elevadores 28 5.7 Linha de transmisso 29 6.0 Consideraes finais 30 7.0 Bibliografia 30

CERPCH - Centro Nacional de Referncia em Pequenas Centrais Hidreltricas Avenida BPS, 1303 - Bairro Pinheirinho CEP: 37500-903 - Itajub - MG - Brasil Tel: (+55 35) 3629-1443 Fax: (+55 35) 3629 1265

Ficha catalogrfica elaborada pela Biblioteca Mau Bibliotecria Margareth Ribeiro - CRB_6/1700

N778m Nogueira, Fbio Jos Horta Microcentrais hidreltricas / Fbio Jos Horta Nogueira e Geraldo Lcio Tiago Filho ; organizado por Geraldo Lcio Tiago Filho; reviso de ngelo Stano Jnior e Adriana Barbosa ; colaborao Camila Rocha Galhardo ; editorao e arte-final de Adriano Silva Bastos. -Itajub, MG : FAPEPE,2007. 32p. : il. -- (Srie Energias Renovveis) ISBN: 978 - 85 - 60858 - 01 - 9 ISBN: 978 - 85 - 60858 - 05 - 7 1. Microcentrais hidreltricas. 2. Energia hidrulica. I. Ttulo. CDU 621.311.21

Captulo 1

Introduo

O ser humano atual dependente da energia, e desnecessrio dizer que ela essencial para o desenvolvimento de suas atividades. Essa dependncia tem aumentado com o passar do tempo, como se pode observar quando se faz uma comparao entre um homem pr-histrico e um homem moderno. Para o primeiro caso, o consumo energtico dirio era da ordem de 15 MJ, apenas a demanda do seu metabolismo vital, atendida somente pela ingesto de alimentos crus, pois ainda no se dominava a tcnica do fogo. Com o passar do tempo e a evoluo, o homem moderno elevou esse consumo para cerca de 45.000 MJ. Ou seja, esse consumo foi multiplicado trs mil vezes. As tendncias mostram que esse consumo vai crescer ainda mais. Para atender a essa enorme demanda atual de energia a humanidade tem que lanar mo dos mais diferentes recursos energticos tais como o petrleo, o carvo mineral, a energia hidrulica, a energia solar, a energia elica e a energia atmica, entre outras. Algumas dessas fontes de energia so consideradas renovveis, outras tm uma expectativa de vida bem curta. Algumas delas apresentam srios riscos ao ambiente, outras ainda so de alta tecnologia e de custo muito elevado. Quando bem aplicada, a energia hidrulica uma boa alternativa para atender esse suprimento energtico. Ela apresenta custos razoveis, emprega equipamentos durveis e com tecnologia bem sedimentada, pode ser usada em pequenas ou grandes potncias e, alm disso, normalmente causa poucos impactos ambientais, sendo esses os principais argumentos para o seu estudo e a sua utilizao. A energia hidrulica j vem sendo utilizada h mais de 2000 anos. Na Idade Mdia as rodas d'gua e as rodas nrdicas de eixo vertical ou "ghatta" (figuras 1.1 e 1.2) eram muito comuns. Elas eram feitas quase que totalmente de madeira, com algumas poucas partes (sujeitas a maior desgaste) feitas de metal ou pedra. Eram utilizadas mais comumente na moagem de gros, mas o bombeamento de gua para irrigao e o fornecimento de gua tambm eram populares. Mais tarde, na poca da Revoluo Industrial, as rodas d'gua foram usadas para acionamento de guindastes nas minas de carvo e de foles para a injeo de ar nas fornalhas.Gradualmente, estas mquinas simples de madeira foram sendo desenvolvidas com eficincias cada vez mais altas. Milhares destas mqui- Figura 1.1 Roda d'gua antiga

nas tradicionais ainda so utilizadas para a moagem de gros, e, algumas vezes, no acionamento de bombas e tornos mecnicos. A maioria delas projetada para acionar apenas um equipamento. Isso pode reduzir sua viabilidade econmica, uma vez que no so utilizadas durante todo o tempo.funil para gros

pedras de moagem

roda dgua vertical

entrada da gua

Figura 1.2 - Roda d'gua de eixo vertical Esta ltima questo ficou resolvida com o desenvolvimento dos grupos geradores hidrulicos, que realizam a converso da energia hidrulica em energia eltrica, que pode ser transmitida a grandes distncias e utilizada para acionar os mais variados tipos de equipamentos. No Brasil existe um predomnio do uso da energia hidrulica como fonte primria para a gerao de energia eltrica. A existncia de grandes potenciais hidrulicos e a busca pela reduo no custo de gerao fez com que, por muito tempo, essa energia fosse produzida em grandes centrais hidreltricas, apesar destas implicarem em um impacto ambiental considervel, resultante da formao do reservatrio. Nas ltimas dcadas, o aumento dos preos da energia, combinado com as recentes preocupaes ambientais, fez com que o interesse pelas microcentrais aumentasse, visto que essas constituem uma fonte de energia segura e de baixo custo, particularmente em reas mais remotas. O desenvolvimento tecnolgico acompanhou o renascimento desta fonte de energia. Mquinas tradicionais foram aperfeioadas utilizando-se materiais modernos, de maneira que elas possam acionar um diferente nmero de equipamentos. O advento da eletrnica de potncia permitiu o desenvolvimento de controles eletrnicos para a velocidade e a tenso substituindo os complexos reguladores hidrulicos; o PVC e outros tubos plsticos esto substituindo o ferro e o ao e os modernos alternadores de alta velocidade e novos mancais reduziram de peso e de custo.

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1.1 Vantagens e limitaes das microcentrais hidreltricas

Secas e mudanas na utilizao da gua e do solo podem reduzir a produo de energia. Em muitas regies, a demanda no grande o suficiente para favorecer a tecnologia adequada e os equipamentos necessrios para uma fcil implantao.

A seguir esto relacionadas algumas vantagens e desvantagens da utilizao da energia hidrulica, que podem ajudar os leitores a julgar sua relevncia para suas necessidades. As principais vantagens da energia hidrulica so: A energia produzida a uma taxa constante; sendo assim, a necessidade de armazenamento em baterias quase inexistente e a energia est disponvel a qualquer hora. Apresentam concepo simplificada, que lhes proporciona baixo custo de implantao e manuteno e facilidade na operao. A tecnologia de fcil adequao para a fabricao e utilizao em pases em desenvolvimento ou em reas remotas. No se faz necessria a utilizao de combustveis e os custos de manuteno so baixos. A tecnologia robusta e apresenta vida til elevada, cerca de 20 anos, podendo atingir 50 a 60 anos de funcionamento sem maiores investimentos, com um baixo custo de reparos e manuteno. A manuteno das microcentrais bastante simples. Resume-se na lubrificao peridica dos rolamentos e na substituio de correias de transmisso, quando necessrio. Trabalhos de conservao das estruturas, tais como pintura e limpeza tambm so recomendados. Os custos totais, geralmente, so menores do que os custos das outras alternativas. No h grandes barragens, obras hidrulicas importantes e grandes alagamentos; assim, os problemas enfrentados pelas grandes hidroeltricas, como o deslocamento de populaes e a estratificao dos reservatrios, so evitados. As centrais no emitem dixido de carbono (CO2) ou qualquer outro resduo prejudicial sade, alm de serem silenciosas e operarem com reduzida perda de calor. As microcentrais hidreltricas ainda apresentam a vantagem de utilizarem uma tecnologia antiga, totalmente dominada e estabelecida. Entre as suas maiores desvantagens podem ser citadas: uma tecnologia de "local especfico"; isto , so necessrios locais adequados prximos ao ponto onde a energia ser utilizada. Nos pequenos riachos, onde so normalmente instaladas, a potncia mxima limitada e no pode ser aumentada caso haja um crescimento da demanda. Em alguns casos, a potncia disponvel reduzida ou inexistente nos perodos de seca.

1.2 Justificativas para o uso das microcentrais hidreltricas

As microcentrais hidreltricas so as mais adequadas para serem implantadas nas fazendas para possibilitar o fornecimento de eletricidade s propriedades rurais. Elas so construdas aproveitando-se cursos d'gua com vazes e quedas relativamente pequenas, atravs de obras simples, baratas e com os menores impactos ambientais. Se as condies topogrficas e hidrolgicas forem adequados, a construo de uma microcentral hidreltrica justifica-se em diversas situaes, destacando-se os seguintes casos: Nas propriedades que se encontram localizadas distantes das redes de distribuio de eletricidade das concessionrias. Nas fazendas onde o consumo de energia eltrica elevado. Nas propriedades onde se deseja abastecimento em rede trifsica e a concessionria s atende em rede monofsica. A vantagem das linhas trifsicas a de permitirem o acionamento de motores trifsicos, que so mais baratos que os monofsicos, demandam menores custos de manuteno, e so encontrados com maiores potncias. Para atender a povoados e comunidades rurais, cujos habitantes possuem baixa qualidade de vida. Para a insero social, com uso da energia na melhoria das condies das atividades produtivas de uma fazenda ou de uma comunidade. Para atendimento a programas de universalizao do uso da energia eltrica, etc.

1.3 - Aplicaes1 Voc saberia dizer quanto de energia consumida mensalmente em sua residncia? (D uma olhada na sua conta de energia eltrica) 2 No seu municpio existem ou existiam centrais hidreltricas? Onde? (Dica. Faa uma pesquisa entre seus conhecidos ou parentes mais velhos) 3 Listar outras vantagens e desvantagens das microcentrais hidreltricas.

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Captulo 2

Princpios de Energia HidrulicaOnde: potncia hidrulica massa especfica da gua acelerao da gravidade altura da queda d'gua vazo de gua W kg/m3 m/s2 m m3/s

bicos por segundo. Os mtodos apresentados nos volumes anteriores para as medidas de queda e para as medidas de vazo podem ser utilizados. Determinada a potncia, pode ser feita uma estimativa aproximada do custo da microcentral. Sabendo-se que o custo mdio para cada kW instalado da ordem de R$ 4.500,00, basta multiplicar esse valor pela potncia do aproveitamento para se obter o custo da microcentral. Ressalta-se que essa estimativa poder falhar para os casos de potncias abaixo de 20 kW.

A energia que naturalmente dissipada em um curso d'gua quando este escoa atravs de um desnvel topogrfico dada pela seguinte expresso:

Desde muito tempo atrs o homem vem desenvolvendo tcnicas para captar essa energia que dissipada. Os equipamentos utilizados atualmente nas centrais hidreltricas so capazes de converter uma grande parte da energia hidrulica disponvel em energia til. Apesar disso, durante essa converso ocorFigura 2.1 Clculo da potncia hidrulica. rem perdas inevitveis. Por esse motivo a potncia hidrulica corrigida por um rendimento que leva em considerao todas essas perdas, sendo ento a potncia til igual a:Q

2.1 AplicaoSuponha uma queda d'gua com 45 metros de altura, a vazo medida igual a 0,3 m3/s. Determinar a potncia hidrulica e a potncia til desse aproveitamento supondo que o rendimento global seja de 75%.

Potncia hidrulica:

Sendo:

potncia til

kW

rendimento global da converso O rendimento global dos equipamentos utilizados nas microcentrais situa-se dentro da faixa de 50% a 70% sendo que os maiores valores so para os aproveitamentos de maior potncia. Se a gua cai ou conduzida de um nvel mais alto para um nvel mais baixo, ento essa vazo de gua resultante pode ser utilizada. Normalmente um conduto ou uma tubulao forada utilizado para levar a gua declive abaixo, e disto resulta uma vazo de gua sob presso. Quando se permite que a gua mova algum tipo de turbina, a presso ento transformada em energia mecnica e pode ser utilizada no acionamento de um gerador eltrico ou um moinho de gros ou algum outro tipo de equipamento. Para se determinar a energia gerada, duas medies so necessrias: a queda d'gua, que a diferena da altura vertical pela qual a gua cai, e a vazo existente, que medida em metros c-

Potncia til:

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Captulo 3

Arranjos Mais Comuns

Na prtica o que define o arranjo de uma microcentral hidreltrica a forma do relevo, ou a topografia do local escolhido para a construo, e os locais que so apropriados para a construo de uma microcentral hidreltrica podem variar extremamente. Incluem desde as posies montanhosas, onde h reas de cachoeiras, de rpidos e de corredeiras das montanhas, passando pelos rios de planalto at chegar aos crregos e aos rios das plancies, mais largos e lentos. Em alguns casos o desenvolvimento envolve pequenas obras e adaptaes, j em outras situaes exige construes de maior porte e solues inteiramente novas. As figuras a seguir ilustram as quatro disposies de arranjo das estruturas mais comuns para uma microcentral hidreltrica.

Figura 3.2 Microcentral em desvio apenas com conduto forado

Figura 3.1 Microcentral em desvio com canal de aduo e conduto forado

Figura 3.3 Microcentral de baixa queda em desvio sem conduto forado

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Captulo 4

Componentes das Microcentrais

Os componentes das microcentrais hidreltricas podem ser divididos em dois grupos principais: as estruturas civis para o represamento, captao e aduo da gua e os componentes hidromecnicos e eletromecnicos desvio

uso final da energia desarenador

canal de aduo

cmara de carga

Figura 3.4 Microcentral de baixa queda com represamento

corredeira

linha de transmisso

conduto forado

casa defora turbina gerador controles

3.1 Aplicao1) Voc saberia dizer as vantagens e desvantagens de cada tipo de arranjo de microcentral hidreltrica? 2) Qual tipo de arranjo de microcentral hidreltrica mais adequado para a regio que voc mora?

Figura 4.1 - Principais componentes de uma microcentral hidreltrica

4.1 Estruturas CivisEntre as obras civis podem ser destacadas as seguintes estruturas: Barragens e represas As barragens armazenam grandes volumes de gua por longos pe-

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rodos, enquanto que as represas, estruturas menores, no tem essa finalidade. As barragens so, normalmente, estruturas relativamente altas, ao passo que as represas simplesmente selam" e regularizam o leito do rio elevando o nvel de montante e possibilitando o desvio da gua do rio para a tomada d'gua. Em rios que apresentam muitas pedras, represas naturais so freqentemente utilizadas. Podem ser feitas de terra, madeira, pedras ou concreto. As barragens raramente so construdas somente para uma microcentral, mas, algumas vezes, uma pequena barragem integrada a uma microcentral de gerao de energia para o controle de cheias e para o uso com sistemas de irrigao. Em alguns casos, essas barragens de microcentrais so adaptadas para o suprimento de gua, ou utilizadas para fornecer uma vazo "remanescente", ou seja, a vazo mnima especificada pelos comits reguladores para salvaguardar peixes e plantas que esto jusante (abaixo) da barragem. uma estrutura que deve ser bem calculada, pois envolve srias questes de segurana. Vertedouro Tem a funo de proteger a barragem e as demais instalaes nas ocasies de chuvas intensas e guas altas, permitindo o escoamento das cheias com segurana. So dimensionados com as informaes sobre a freqncia e intensidade das maiores cheias registradas. Com um tratamento estatstico possvel prever, associado a um certo risco, um valor de cheia mxima. A figura 4.2 mostra uma barragem de concreto com um vertedouro incorporado. Tomada d'gua a estrutura civil responFigura 4.2 Barragem de concreto com vertedouro incorporado Figura 4.5 Parte de um conduto metlico de baixa presso

svel por captar a gua de montante e lev-la at o sistema de aduo, regular a vazo de entrada e retirar os detritos, folhas e galhos carreados pelo curso d'gua. Normalmente projetada para receber os seguintes acessrios: comporta de controle, uma seo de desarenao, comporta desarenadora e uma grade grossa. Sistema de aduo Normalmente constitudo por um trecho com pequena declividade (baixa presso), com um canal aberto ou uma tubulao de baixa presso e por um trecho com declividade mais acentuada (alta presso), o conduto forado, esse sempre construdo com tubos. Na maior parte dos casos, na transio entre o trecho de alta e o de baixa presso colocada uma cmara de carga. Quando o comprimento do conduto forado muito elevado necessrio usar as chamins de equilbrio. As figuras ao lado mostram diversos exemplos de sistemas de aduo, com canais abertos e fechados, chamins de equilbrio, cmaras de carga e condutos forados. Figura 4.3 Tomada d'gua vista do lado de montante Figura 4.6 Aspecto de uma cmara de carga e bloco de ancoragem de sada Casa de mquinas no interior da casa de mquinas que esto abrigados a turbina, o gerador (ou o moinho ou qualquer outro equipamento) e o sistema de comando e controle. Normalmente a casa de mquinas deve ficar situada um pouco acima do nvel de cheia do rio. Em centrais muito pequenas (abaixo de 1 kW) a casa de fora geralmente possui o formato de uma caixa com uma tampa removvel. Em centrais maiores, ela pode ser uma edificao com duas ou trs salas para abrigar o equipamento eletromecnico e oferecer acomodao para os operadores.

Figura 4.4 Trecho de um canal de aduo escavado em rocha e revestido

Figura 4.7 Aspecto de uma chamin de equilbrio

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Canal de fuga um canal que tem a funo de restituir ao leito original do rio a gua que foi utilizada na gerao. Nesse canal deve ser prevista a construo de uma soleira afogadora para

Figura 4.8 Conduto forado e bloco de ancoragem da casa de mquinas

Figura 4.9 Casa de mquinas e canal de fuga de uma microcentral hidreltrica

Figura 4.12 Vlvula borboleta Figura 4.10 Canal de fuga restituindo a gua ao leito natural do rio Figura 4.11 Grades antes da entrada de um conduto forado.

Figura 4.12 Comportas planas na entrada de um canal

Figura 4.13 Pequena comporta desarenadora em um canal

Figura 4.15 Vlvula de gaveta

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Captulo 5

Grupos Geradores

No se sabe com exatido quem, onde e h quanto tempo se aproveitou pela primeira vez a fora e a energia da gua em movimento. provvel que tenha vindo de um uso mais antigo da gua, a irrigao. Nos tempos antigos eram empregados diversos meios para retirar a gua do curso dos rios e elev-la a uma altura maior que suas margens, onde era conduzida at a plantao por meio de canais. Um desses equipamentos era a saqia (ou roda persa), constituda por uma grande roda de eixo horizontal e canecas fixadas em sua periferia. Essas rodas podiam ser movidas com as mos ou por meio de trao animal. Naquele tempo algum deve ter notado que, quando a roda estava desatrelada do animal, a corrente de gua fazia com que a roda girasse ao contrrio. Concebeu-se assim a idia revolucionria de que uma corrente de gua contm energia e por conseqncia pode realizar trabalho.

Figura 4.12 Vlvula borboleta com fechamento e abertura manuais

Figura 5.1 Saqia movida por trao animal

Figura 5.2 Vista em corte da roda saqia

As primeiras rodas surgiram, provavelmente, na China e na ndia cerca de 2.000 anos atrs. Depois da sia passaram ao Egito e da Europa aproximadamente 600 anos depois. A primeira aluso literria foi feita por Antiparter de Tesalnica e data do ano 80 AC: Agora as donzelas que labutam nos moinhos podem descansar. O deus Ceres ordenou que as ninfas das guas assumam o seu penoso trabalho.

4.1 Aplicao1) Caso seja possvel, faa uma visita a uma microcentral hidreltrica e procure identificar os equipamentos existentes.

Os romanos conheciam bem e usavam extensamente as rodas hidrulicas como fonte de energia mecnica. A histria reconhece o nome do engenheiro Vitruvius com sendo o responsvel por isso. Existem evidncias que ao longo do aqueduto de Adriano foram instaladas diversas rodas hidrulicas para o acionamento de moinhos de trigo.

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Foram os saxes que popularizaram a sua utilizao na Gr-Bretanha e depois no restante da Europa. O documento mais antigo o registro para a concesso de um moinho com roda hidrulica, dada pelo rei Ethelbert em 762 DC. Naquele tempo a profisso do construtor de moinhos, que viajava por todo pas construindo moinhos novos e reparando os antigos, era bem remunerada e muito respeitada. No censo realizado na Gr-Bretanha, em 1086, foram contados mais de 5.000 moinhos. As rodas hidrulicas comuns que operam principalmente com o peso da gua so as de menor complexidade construtiva e, obviamente, foram as primeiras a serem construdas. Leonardo Da Vince, Galileu e Descartes, entre outros, realizaram estudos tericos e matemticos sobre as rodas hidrulicas. Destaque especial merece o francs Parent que estudou o funcionamento das rodas hidrulicas e possibilitou o surgimento das rodas de impulso e de reao. Essas novas invenes eram mais vantajosas, pois permitiam que se aproveitasse a energia cintica contida na gua, resultando em equipamentos menores e mais rpidos. As rodas hidrulicas, devido principalmente admisso parcial da gua, possuem baixas rotaes e baixos rendimentos. As turbinas hidrulicas surgiram para superar essas desvantagens. O estudo das turbomquinas se iniciou como cincia com Euler, em 1754, com a publicao da Thorie plus complte des machines qui sont mises em mouvement par la reaction de l' eau. Nesse texto ele desenvolve pela primeira vez a equao da variao da quantidade de movimento da gua ao passar pelo rotor da mquina. Posteriormente, o engenheiro francs Claude Burdin, desenvolve a teoria Des turbines hydrauliques ou machines rotatoire grande vitesse e usa o termo turbina pela primeira vez. Esse termo vem do latim turbo- inem, que significa rotao ou giro. Burdin foi um engenheiro terico, mas seu discpulo Fourneyron foi um engenheiro prtico que construiu a primeira turbina experimental digna desse nome em 1827. Ao longo de sua vida, Fourneyron construiu mais de uma centena de turbinas hidrulicas, instaladas em diferentes partes do mundo. Esse equipamento teve um xito fabuloso, pois era capaz de aproveitar quedas muito maiores que as rodas hidrulicas conseguiam aproveitar. Era radial centrfuga, de injeo total e de escape livre, mas tambm havia a previso para instalao de tubo de suco. Desde 1837 as turbinas hidrulicas de Henschel e de Jonval, idealizadas em 1843, competem com as de Fourneyron. Outras turbinas hidrulicas anteriores ao sculo XX foram a de Fontaine, e sobretudo a desenvolvida em 1851 por Girard. Os tipos mencionados no so os nicos, e, mesmo que algumas dessas tenham sobrevivido, no foram mais construdas devido a seu baixo rendimento. Ainda na primeira metade do sculo XIX surgiu a turbina Pelton (1840), projetada pelo engenheiro americano Lester Pelton. As turbinas Pelton so usadas at hoje. A demanda crescente

por energia possibilitou o rpido desenvolvimento das turbinas. As turbinas Fourneyron evoluram para as modernas turbinas Francis (1905) que tem esse nome em razo do seu inventor, James Francis. Do mesmo modo, a turbina do tipo Jonval evoluiu para a turbina Kaplan, proposta em 1913 pelo engenheiro austraco Viktor Kaplan. Inicialmente essa turbina tinha ps fixas, mas posteriormente foi aperfeioada pelo mesmo Kaplan, com a introduo das ps mveis.

Figura 5.3 Corte de um rotor Fourneyron

Figura 5.4 Modelo de uma turbina de Jonval

5.1 Turbinas hidrulicasBasicamente as turbinas hidrulicas, sendo elas pequenas ou grandes, so classificadas como turbomquinas motrizes de fluxo contnuo que operam segundo o princpio da ao ou da reao: - Turbinas de ao: Nas turbinas de ao, a energia hidrulica disponvel transformada em energia cintica para, depois de incidir nas ps do rotor, transformar-se em mecnica: tudo isto ocorre presso atmosfrica. Classificam-se como turbinas de ao: as turbinas Pelton com um ou mais jatos, a turbina de Fluxo Cruzado, MichellBanki, e a turbina Turgo. - Turbinas de reao: Nas turbinas de reao o rotor completamente submergido na gua. Com o escoamento da gua, ocorre uma variao de presso e de velocidade no escoamento, entre a entrada e a sada do rotor. Uma importante caracterstica das turbinas de reao o uso do tubo de suco. O tubo de suco permite a recuperao de parte da energia cintica da gua que deixa o rotor. A soma da energia cintica mais a energia de presso na sada da turbina menor quando h o tubo de

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suco instalado. So classificadas como turbinas de reao: a Francis, a hlice e a Kaplan, com suas variantes. Existem diversos tipos de turbinas, cada qual adequada a um aproveitamento hidroenergtico. A escolha adequada do tipo de turbina a ser utilizado num determinado aproveitamento depende de um nmero que funo da altura e vazo disponveis e da rotao da mquina - Turbinas do tipo Pelton: As Turbinas Pelton so mquinas de ao e escoamento tangencial. Operam com altas quedas e baixas vazes. Podem ser de um jato, dois, quatro ou seis jatos e podem ser de eixo horizontal ou vertical. A energia hidrulica transferida para o rotor pela ao do jato de gua que sai do injetor e incide sobre ps bipartidas em forma de cunha. O rendimento alto, podendo chegar at a 94%. O controle da vazo realizado por um dispositivo chamado agulha ou injetor. As mquinas podem tambm possuir defletores de jato. Existem equipamentos pequenos com no mximo dois jatos e equipamentos de eixo vertical com at seis jatos. A turbina Pelton tem um excelente comportamento a cargas parciais, sendo essa uma das justificativas deste tipo de mquina ser amplamente utilizada. Essa turbina foi desenvolvida para suprir a necessidade de construir usinas de altas quedas e baixas vazes, pois as turbinas Francis no operam bem nessas condies.

Turbinas do tipo Turgo: Uma variante da turbina Pelton a turbina Turgo. Nessa mquina o jato atinge as ps do rotor formando um pequeno ngulo com o eixo de rotao e a gua sai por apenas um lado. Por possuir uma rotao mais elevada, se comparado a um rotor Pelton, o rotor Turgo torna o acoplamento direto ao gerador mais fcil, muitas vezes dispensando os multiplicadores de velocidade, aumentando a eficincia global total e diminuindo o custo de manuteno. Turbinas cross flow: As turbinas do tipo cross-flow tambm so conhecidas como turbinas do tipo Banki-Michell em homenagem a seus inventores. So usadas para uma larga escala de quedas e de vazes. Podem ser fabricadas para operar com descargas entre 0,02 m3/s e 10 m3/s e quedas entre 1 e 200 m. A gua penetra na turbina, guiada por uma ou mais ps guias que conduzem o fluxo ao primeiro estgio do rotor. Na sada do rotor a gua passa por um segundo estgio e devolvida ao rio. um equipamento de rendimento mais baixo, se comparado a outras turbinas, mas de custo muito acessvel. Devido s suas caractersticas especficas, estas turbinas cobrem o campo das turbinas tipo Pelton dois jatos at a Francis normal. Essa turbina mostra-se altamente indicada para ser usada em microcentrais hidreltricas pelo baixo custo e construo simplificada. Turbinas Francis: As Turbinas Francis so mquinas de reao, com escoamento radial (lenta e normal) e escoamento misto (rpida). So mquinas ideais para mdias vazes e quedas. O controle da vazo realizado no distribuidor ou sistema de ps mveis. So turbinas rigorosamente centrpetas, que permitem o uso de tubo de suco e podem alcanar altos rendimentos, da ordem de 85 a 93%, sendo uma das mais utilizadas. Elas podem estar inseridas em uma caixa espiral, ou, em instalaes de menor porte, sem caixa espiral, em caixas cilndricas ou em um poo de caixa aberta. Em instalaes com vazes maiores, costuma-se duplicar o rotor em rotores gmeos, que operam num mesmo eixo, cada um de um lado de uma caixa cilndrica ou em caixas espirais separadas, ou unidos pela face anterior, inseridos em uma nica caixa espiral. A esse tipo de arranjo, denomina-se turbina Francis gmea. O distribuidor das turbinas tipo Francis constitudo de um conjunto de ps dispostas em volta do receptor, e que podem ser orientadas por meio de um comando especial, de modo a darem, para cada valor da descarga, o escoamento com um mnimo de perdas hidrulicas. Todas as ps possuem um eixo de rotao paralelo ao eixo da turbina e, graas a um mecanismo, chamado anel de Fink, constitudo por um anel concntrico ao distribuidor e ligado a elas por bielas, podem girar simultaneamente de um mesmo ngulo, fazendo a seco de escoamento variar de um mximo at o fechamento total.

Figura 5.5 Esquema de uma turbina do tipo Pelton de um jato

Figura 5.6 Aspecto de uma turbina do tipo Turgo

Figura 5.7 Corte esquemtico de uma turbina tipo cross flow

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Turbinas axiais: As turbinas axiais so caracterizadas pelo fato do fluxo escoar longitudinalmente ao eixo do rotor. Tais como as turbinas Francis, tambm so mquinas de reao. So mquinas que trabalham com baixas quedas e grandes vazes e, basicamente, esto divididas entre dois tipos, denominados Hlice e Kaplan. O rotor Kaplan possui as mesmas caractersticas do rotor Hlice, exceto pelo fato de haver ps mveis que permitem a regulagem da vazo atravs dele, o que confere a esse tipo de turbina a chamada dupla regulagem. Ambos os rotores podem ser inseridos em uma caixa espiral de concreto ou de ao, em caixa aberta, ou ainda em caixa em forma de tubo, onde o escoamento se d totalmente no sentido axial. Para esse ltimo arranjo, dependendo da configurao do grupo gerador, se d o nome de turbina tubular, em S, sifo ou bulbo. A turbina bulbo se caracteriza pelo arranjo compacto, denotado pelo uso de um rotor Kaplan acoplado ao gerador, que por sua vez instalado no interior de um casulo inserido na gua, da o nome bulbo.

Figura 5.9 Turbina Francis com caixa espiral

Figura 5.8 Esquema de uma turbina Francis do tipo caixa aberta

Figura 5.7 Esquema de central hidreltrica com turbina axial do tipo S

5.2 - Seleo das TurbinasAs turbinas hidrulicas so equipamentos cujos rendimentos dependem muito da condio adequada de operao, ou seja, o equipamento s d bom rendimento se trabalhar nas condies para as quais foi projetado. De uma forma geral, as turbinas Pelton so mais indicadas para altas quedas, as mquinas Kaplan e Hlice so usadas em baixas quedas, e as turbinas Francis operam em quedas mdias.

Figura 5.10 Funcionamento do distribuidor de uma turbina Francis

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Essas recomendaes so muito vagas e simplistas, pois alm da queda existem outros parmetros que influenciam o desempenho do equipamento, sendo a vazo e a rotao os principais deles. Na ocasio de um projeto, no momento da seleo de uma turbina, o ideal contar com ajuda de tcnicos experientes ou com a orientao de fabricantes com reconhecida tradio no mercado. A Figura 5.8, mostra um grfico que pode auxiliar a seleo do equipamento bastando conhecer a queda existente e a vazo de gua disponvel para cada mquina. Esse grfico foi construdo para uso em microcentrais, visto que a potncia mxima de 100 kW. Figura 5.8 Grfico para seleo de turbinas apropriadas para microcentrais

de desvio convertido e amplificado para excitar um atuador, hidrulico ou eltrico, que conMecanismo manual trola o fluxo de gua que passa pela turbina. Em uma turbina Francis, para reduzir o fluxo da gua necessrio girar todas as ps do distribuidor, e um acionador potente requerido, no Vlvula piloto s para superar as foras hidrulicas e de fricAmortecedor o, mas para manter as ps numa posio parleo sob presso Cilindro cialmente fechada ou as fechar completamente. Retorno do leo hidrulico Diversos tipos de reguladores so disponveis, Figura 5.9 Esquema de um regulador de dos puramente mecnicos aos hidromecnicos velocidade hidromecnico e os eletrohidrulicos. O regulador puramente mecnico usado somente com as turbinas de menor potncia em funo de suas limitaes de fora e tempo de resposta muito longo.Massas rotativas

5.4 - Geradores EltricosOs geradores so encarregados de transformar a energia mecnica, fornecida pela turbina, em energia eltrica. So mquinas de rendimento elevado, da ordem de 85 a 90% para a faixa de potncia das microcentrais. A grande maioria dos geradores utilizados em microcentrais do tipo sncrono, embora possam ser tambm utilizados geradores de induo, que na verdade so motores de induo operando como geradores. Nesse caso necessrio acoplar ao motor um banco de capacitores que ser responsvel pela formao do campo magntico necessrio para a gerao de energia eltrica (vide cartilha Eletricidade Bsica). Alm disso necessrio um dispositivo que permita o controle da velocidade, normalmente, nesse caso, um regulador de carga. Os geradores de induo apresentam custo inicial e de manuteno menor, embora sua eficincia seja de 2 a 4 % inferior dos geradores sncronos. Os geradores sncronos so mais caros do que geradores assncronos e so usados nos sistemas onde a potncia da carga representa uma proporo substancial da potncia do gerador. Para funcionarem, os geradores sncronos precisam de um sistema de excitao, responsvel pela produo do campo magntico necessrio para a gerao de tenso. Os geradores de menor potncia so do tipo autoregulado, nos quais a energia para excitao provm de uma amostra da prpria tenso gerada. Esse sistema de excitao possui baixo custo, porm o de pior desempenho. Uma segunda opo para a excitao a utilizao de mquinas auxiliares rotativas, acopladas no mesmo eixo do gerador principal, que podem ser de corrente contnua ou de corrente alternada do tipo sncrona. As excitatrizes do tipo mquina de corrente contnua necessitam de manuteno freqente e alm disso necessria a utilizao de

5.3 - Reguladores de Velocidade

Os reguladores de velocidade so necessrios para manter constante a velocidade de rotao do conjunto gerador, e dessa forma, conforme vimos na cartilha de Eletricidade Bsica, manter tambm constante a freqncia de tenso gerada. A regulao da velocidade pode ser feita ajustando-se a quantidade de gua que passa pela turbina ou ainda mantendo-se constante a quantidade de gua e a potncia eltrica da carga conectada nos terminais do gerador. Esse segundo tipo de regulador conhecido pelo nome de Regulador de Carga, e adequado apenas para pequenas potncias de gerao, da ordem de at 20 [kW]. constitudo de um circuito eletrnico controlador que chaveia um banco de resistncias de lastro, de forma a manter constante a soma entre a potncia dissipada no lastro e a potncia consumida pelas cargas, ou seja, a potncia gerada pelo gerador. J os reguladores de velocidade so uma combinao de dispositivos e de mecanismos que detectam os desvios da velocidade e os convertem em uma mudana na posio de um servomotor. Quando o elemento sensor de velocidade detecta o desvio do ponto ajustado; este sinal

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anis e escovas para alimentao do campo da mquina principal. J a opo pelas excitatrizes sncronas permite reduzir a freqncia de manuteno e dispensa o uso de anis e escovas para alimentao do campo da mquina principal. Esse o motivo delas serem chamadas de excitatrizes sem escovas (brushless). Em se tratando do nvel de potncia das microcentrais, normal a opo por gerao em baixa-tenso, geralmente no nvel de 220/127 [V], que a tenso padronizada da maioria dos equipamentos eltricos e eletrnicos existentes. No caso de gerao para suprimento de mquinas agrcolas de grande porte ou similares, e no caso das distncias entre a gerao e a carga serem grandes, podem ser utilizadas tenses maiores, como 380 [V] e 440 [V]. possvel utilizar geradores em mdia tenso (2.200 [V], 4.000 [V]), porm raramente necessrio, a menos que se opte por gerar nessa tenso para possibilitar o transporte a distncias maiores, dispensando assim o uso de transformadores elevadores, utilizando apenas transformadores abaixadores. Nesse caso o custo do gerador sobe e necessrio um maior cuidado do ponto de vista da segurana dos operadores.

Esses transformadores so construdos para instalao ao tempo, o que permite que sejam montados em um poste no lado externo da casa de mquinas, proporcionando uma instalao simples, barata e segura. claro que, se so usados transformadores para elevar os nveis de tenso, necessrio utilizar tambm transformadores abaixadores, que reduzem novamente os nveis de tenso para valores compatveis com as dos equipamentos eletroeletrnicos. A avaliao da necessidade de uso de transformadores elevadores deve ser feita para cada caso, considerando os valores de potncia a transmitir e a distncia. De forma geral, no entanto, quando as distncias so maiores do que 1.000 [m] torna-se vivel realizar a transmisso em nveis de tenso elevados.

5.7 - Linha de TransmissoA linha de transmisso responsvel pelo transporte da energia gerada at o ponto de consumo. No caso de linhas areas de transmisso, tanto em baixa-tenso quanto em mdia-tenso, deve ser dada preferncia pela utilizao de cabos de alumnio nu, que so mais baratos e mais leves. A bitola do cabo deve ser escolhida em funo da corrente nominal e da queda de tenso. No caso de potncias muito pequenas, a bitola do cabo pode resultar muito pequena, o que implica em pequena resistncia mecnica do condutor. Nesses casos o critrio de especificao passa a ser a resistncia mecnica. De forma geral no devem ser especificados condutores com bitola inferior a 10 [mm2].

5.5 - Chaveamento e ProteoDeve ser instalado entre o gerador e a carga, ou entre o gerador e o transformador, um equipamento de manobra que permita a ligao e o desligamento manual do gerador, bem como seu desligamento automtico no caso de sobrecarga ou curto-circuito. No caso de microcentrais utiliza-se normalmente disjuntores de baixa-tenso em caixa moldada, que so equipamentos robustos, e que apresentam boa segurana operacional e baixo custo. A corrente nominal do disjuntor deve ser igual ou ligeiramente superior corrente nominal do gerador.

5.6 - Transformadores ElevadoresSe a distncia entre o gerador e as cargas for grande devem ser utilizadas tenses de transmisso mais elevadas, de forma a reduzir a corrente e consequentemente as perdas e as quedas de tenso. Para elevao da tenso so utilizados os transformadores, cujo princpio de funcionamento foi discutido na cartilha Eletricidade Bsica. Na caso das microcentrais deve-se dar preferncia utilizao de transformadores com tenso secundria de 13.800 [V], que uma tenso padronizada de grande utilizao, o que faz com que existam diversos fabricantes no Brasil, no s para o transformador, como tambm para os demais componentes necessrios como chaves, pra-raios, isoladores, ferragens, entre outros. Essa variedade de fabricantes faz com que o preo desses componentes seja mais baixo do que aqueles dos equipamentos para tenses no to usuais.

5.7 Aplicaes1) Fazer uma pesquisa procurando saber se na sua regio existem pessoas aptas a fabricar ou fazer a manuteno em turbinas hidrulicas. 2) Usando o grfico da figura 5.8 selecionar uma turbina hidrulica para um aproveitamento hidreltrico com uma vazo de 0,1 m3/s e queda de 30 m. Soluo: De acordo com o grfico 5.8 a turbina mais adequada seria uma turbina do tipo Francis com caixa espiral. A potncia aproximada da turbina seria de 20 kW. 3) Explicar porque, em alguns casos, devem ser utilizados transformadores elevadores de tenso nas linhas de transmisso.

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Captulo 6

Consideraes Finais

As microcentrais produzem impacto ambiental muito reduzido, so de fcil operao e exigem pouca manuteno, alm de apresentarem elevada vida til. Embora seu custo de instalao possa ser superior ao de outras opes, como por exemplo grupos geradores Diesel, o fato de no ser necessrio nenhum combustvel e a baixa manuteno permitem um rpido retorno do investimento, principalmente nos casos em que a energia utilizada em um processo produtivo qualquer. Os fabricantes brasileiros possuem tecnologia e capacidade adequada para fabricao de todos os componentes das microcentrais, a custos competitivos. Por esses e outros motivos, as microcentrais so uma opo interessante para fornecimento de energia eltrica para locais isolados e reas rurais.

BibliografiaMME, DNAEE, ELETROBRS Manual de Microcentrais Hidreltricas 1985 MACINTYRE, A.J. Mquinas Motrizes Hidrulicas, Livros Tcnicos e Cientficos Editora, Rio de Janeiro, 1990. EUROPEAN SMALL HYDROPOWER ASSOCIATION Layman's Handbook on How to Develop a Small Hydro Site 1998 CEPEL, ELETROBRS Manual de Aplicao de Sistemas Descentralizados de Gerao de Energia Eltrica para Projetos de Eletrificao Rural Pequenas Centrais Hidreltricas 2000 THE BRITISH HYDROPOWER ASSOCIATION A Guide to UK Mini-hydro Developments 2005.

Links da Internet: British Hydropower Association: European Small Hydropower Association: Portal sobre microcentrais hidreltricas: CERPCH: www.british-hydro.org www.esha.be microhydropower.net www.cerpch.unifei.edu.br

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