geração de energia introdução a geração de energia

Introdução a Geração de

Energia Elétrica

- TURBINAS -

Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen

1

Geração de Energia

CONTINUAÇÃO

2

GERAÇÃO DE ENERGIA

HIDRELÉTRICA

3

GERAÇÃO HIDRELÉTRICA

Processo de Transformação Hidrelétrico

Utiliza o movimento e queda d’água de rios para geração de energia elétrica

A energia elétrica em uma usina hidroelétrica é gerada pela passagem da água

através de uma turbina, acoplada a um gerador síncrono de pólos salientes,

formando o conjunto turbina gerador. Esse conjunto gira a velocidades

relativamente baixas, de 50 a 300 rpm, quando comparadas às turbinas a vapor. O

eixo da turbina está diretamente ligado ao eixo do rotor do gerador.

4



5



6

As principais causas de perda de energia nas turbinas são:

•Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e

esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada totalmente pela

turbina.

•Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor

perdido pelo aquecimento dos mancais.

•Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 95%, que varia

conforme a vazão de água e a queda líquida.

PERDAS DE CARGA E RENDIMENTOS NA GERAÇÃO HIDRELETRICA.

7

•Tipos de Turbinas:

A energia elétrica é em geral produzida por geradores síncronos movidos por uma

máquina primária denominada de turbina hidráulica do tipo Pelton, Francis, Kaplan

ou Bulbo. Cada uma é adaptada para funcionar com uma determinada faixa de

altura de queda, as vazões podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas,

mas, a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica

(Q).


8

Caixa espiral, pré-istribuidor, distribuidor, rotor, eixo, tubo de sucção.

COMPONENTES DE UMA TURBINA HIDRÁULICA:

9

Caixa espiral: Tubulação com formato toroidal que envolve a região do rotor. Fica

integrada à estrutura civil não sendo possível ser removida ou modificada. Distribui

água igualmente na entrada da turbina. Fabricada com chapas de aço carbono

soldadas em segmentos. Conecta-se ao conduto forçado na secção de entrada, e

ao pré-distribuidor na secção de saída.


10

Pré-distribuidor: Direciona a água para a entrada do distribuidor. É composto de

dois anéis superiores, entre os quais são montados um conjunto de 18 a 24

palhetas fixas, com perfil hidrodinâmico de baixo arrasto, para não gerar perda de

carga e não provocar turbulência no escoamento. É uma parte sem movimento,

soldada à caixa espiral e fabricada com chapas ou placas de aço carbono.

palhetas fixas


11

Distribuidor: Formado por uma uma série de 18 a 24 palhetas acionadas por um

mecanismo hidráulico montado na tampa da turbina (este sem contato com a

água). O acionamento é feito por um ou dois pistões hidráulicos. O distribuidor

controla a potência da turbina, pois regula vazão da água.


palhetas moveis

12

•Rotor e eixo: O rotor da turbina é onde ocorre a conversão de energia hídrica em

potência de eixo.

•Tubo de sucção: Duto de saída da água, geralmente com diâmetro final maior que

o inicial, desacelera o fluxo da água após esta ter passado pela turbina,

devolvendo-a ao rio na parte jusante da casa de força.


13

•Turbinas de Ação: A energia hidráulica é transformada em energia cinética para,

depois de incidir nas pás do rotor e transformar-se em energia mecânica, tudo isto

ocorre à pressão atmosférica. Ex. TURBINA PELTON

•Turbina de Reação: O rotor é completamente submergido na água, com o

escoamento da água ocorre uma diminuição de pressão e de velocidade entre a

entrada e a saída do rotor. Ex. TURBINA FRANCIS

Turbina de ReaçãoTurbinas de Ação:

CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRAÚLICAS

14

•TURBINAS PELTON: Idealizada em 1880 pelo americano “Pelton”, também é

chamada de turbina de jato livre. Sua principal característica é a velocidade do jato

na saída do bocal que pode chegar (dependendo da altura da queda) de 150 a 180

m/s.

Sistema injeção de 4 jatos


15

•TURBINAS PELTON: São utilizadas em alturas superiores a 150 m, podendo

chegar a 2.000m. Para grandes vazões e pequenas quedas, a roda da turbina

poderá tornar-se demasiadamente grande e relação a potencia, neste caso pode-se:

Aumentar o numero de jatos, Utilizar rotores gêmeos, Bifurcar a tubulação e instalar

duas turbinas com geradores independentes.


Rotores gêmeos no mesmo eixo

16

TURBINAS PELTON: Utilizam o princípio da impulsão, onde, a pressão é primeiro

transformada em energia cinética em um bocal, neste bocal o fluxo de água é

acelerado a alta velocidade e choca-se com as pás da turbina imprimindo-lhe

rotação e torque. Nesse tipo de turbina não há um sistema de palhetas móveis, e

sim um bocal com uma agulha móvel. Após passar pelo rotor, um duto chamado

tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante da casa de força em nível

mais baixo.

válvulas de agulha dos injetores


17

TURBINAS FRANCIS: Tem o nome do seu inventor e foi idealizada em 1849. A

primeira turbina deste tipos foi construída pela empresa “J.M. Voith” em 1873.

Aplicadas largamente por cobrirem um grande campo de rotação. São construidas

para grandes aproveitamentos ultrapassando a potência de 750 MW. Seu

rendimento atual é superior a 92%.

Componentes turbinas Francis


18

TURBINAS FRANCIS: A água entra pela tomada de água a montante da usina

(localizada em nível mais elevado) e é levada através de um conduto forçado até a

entrada da turbina. Lá a água passa por um sistema de palhetas guias móveis, que

controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para se aumentar a potência as

palhetas se abrem, para diminuir a potência elas se fecham. Após passar por este

mecanismo a água chega ao rotor da turbina.

Controle de injeção (distribuidor) Turbina


19

•TURBINAS FRANCIS: As pás do rotor são perfiladas em uma caixa espiral que

distribuí a água ao redor do rotor. Em operação, a água entra no rotor pela periferia,

após passar através das pás diretrizes as quais guiam o líquido em um ângulo

adequado para a entrada nas pás do rotor, deixando o mesmo axialmente em

relação ao eixo.

Controle de injeção por palhetas moveis


20

TURBINAS FRANCIS: As turbinas Francis em relação às Pelton apresentam

rendimento mais elevado. São utilizadas para quedas superiores a 20 metros e até

400 m. As usinas de Itaipu, Tucuruí e grande maioria de usinas do sistema Chesf

(exceto Sobradinho e Apolônio Sales que usam Kaplan) utilizam turbinas Francis de

cerca de 100 m de queda d' água.

Usina de Tucuruí 8,37 GW (4,245 + 1,125)GW

12 unidades 350 MW cada+ 2 un. Aux. 22,5MW

+11 unidades 375MW

Queda 72 m

Itaipu com 14 GW,

20 unidades 700 MW cada,

Queda de 118 m.


21

USINAS TOTALMENTE EM TERRITÓRIO NACIONAL:

UHE TUCURUÍ X UHE BELO MONTE

Usina Hidrelétrica de Tucuruí 8,37 GW

8,37 GW (4,245 + 1,125)GW

12 unid. 350 MW + 2 un. Aux. 22,5MW

+11 unidades 375MW

Rio Tocantins

Estado do Pará

Usina Hidrelétrica de Belo Monte

Terá quando finalizada 11.233,1 MW

11 mil MW na Casa de Força Principal

e 233,1 MW na Complementar

18 unidades

Rio Xingu

Estado Pará

.


22

TURBINAS KAPLAN: Turbinas de reação adaptadas às baixas quedas. São

constituídas por câmara de entrada que pode ser aberta ou fechada, por um

distribuidor e por uma roda com pás em forma de hélice. Quando estas pás são

fixas diz-se que a turbina é do tipo Hélice. Se as pás são móveis, o que permite

variar o ângulo de ataque por meio de um mecanismo de orientação que é

controlado pelo regulador da turbina, diz-se que a turbina é do tipo Kaplan.


23

TURBINAS KAPLAN: São reguladas através da ação do distribuidor e com auxílio

da variação do ângulo de ataque das pás do rotor o que lhes confere uma grande

capacidade de regulação. Um sistema de embolo e manivelas montado dentro do

cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O

acionamento das pás é acoplado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para

uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de

inclinação das pás do rotor.


24

TURBINAS KAPLAN: Apresentam uma curva de rendimento "plana“, garantindo

bom rendimento em uma ampla faixa de operação. As turbinas Kaplan e Hélice têm

normalmente o eixo vertical, mas podem existir turbinas deste tipo com eixo

horizontal, as quais se designam por turbinas Bulbo..


25

TURBINAS BULBO: Para quedas < 20 m, inventadas na década de 30 e

aplicadas na década de 60 na França (usina maremotriz de La Rance). Sua turbina

é similar a turbina Kaplan horizontal, porém, devido à baixa queda, o gerador

hidráulico encontra-se em um bulbo por onde a água flui ao seu redor antes de

chegar às pás da Turbina.


26

TURBINAS BULBO: No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau, a fio d’água,

em construção no rio Madeira (Rondônia) prevêem a instalação de 44 turbinas do

tipo Bulbo com potência unitária igual a 73 MW e 75 MW, respectivamente. As

turbinas a serem instaladas nestas usinas serão as maiores turbinas bulbo do

mundo.


27

TURBINAS BULBO: No Brasil as Usinas de Santo Antônio e Jirau, a fio d’água,

em construção no rio Madeira (Rondônia) prevêem a instalação de 44 turbinas do

tipo Bulbo com potência unitária igual a 73 MW e 75 MW, respectivamente. As

turbinas a serem instaladas nestas usinas serão as maiores turbinas bulbo do

mundo.


28

BOMBA FUNCIONANDO COMO TURBINA: Nos projetos de mini e microcentrais

hidrelétricas pode ser interessante o estudo de utilização de uma bomba

funcionando como turbina. Esta opção consiste em utilizar uma bomba d’água de

forma inversa, ou seja, fazendo com que a água entre pelo lado de recalque e saia

pelo lado de sucção. Desta forma a bomba passa a se comportar como uma

turbina, convertendo a energia hidráulica em energia mecânica. Tem como

vantagem o baixo custo, a robustez, a facilidade com que é encontrada e o curto

prazo de entrega. A desvantagem é o fato de ela não possuir distribuidor, o que

dificulta a regulação de velocidade, que só poderá ser feita via válvula de entrada,

opção menos eficiente que a do distribuidor. Outra opção para regulagem de

velocidade é o uso de “reguladores d e carga”.


29

TURBINAS HIDROCINÉTICA: É uma turbina que funciona através da energia

cinética que se origina da passagem de água pelo rotor. Este tipo de turbina pode

ser ancorado no fundo do rio ou colocado balsa. À medida que a água passa pelo

rotor da máquina, produz-se uma força, fazendo-a girar. Dessa forma, através de

um sistema de polias e correias, o gerador é acionado, produzindo-se energia.

Neste tipo de turbina não há necessidade de que o empreendimento tenha quedas

d'água e de construção de casa de máquinas, dutos e barragem, pois não exige

queda d'água. Por isso, esse empreendimento reduz o impacto ambiental à níveis

aceitáveis.


TURBINAS HIDROCINÉTICA AXIAL

30

TURBINAS HIDROCINÉTICA: Além da turbina hidrocinética axial, encontra-se em

fase de desenvolvimento uma turbina hidrocinética helicoidal. Esta permite que haja

um eixo vertical, com um melhor arranjo físico, minimizando os esforços mecânicos

nos mancais. A turbina hidrocinética helicoidal também permite um maior

engolimento da água e, conseqüentemente, a geração de uma potência maior.


TURBINAS HIDROCINÉTICA

HELICOIDAL

31

TURBINAS MICHELL-BANKI: É uma turbina de uso bastante difundido no mundo,

sendo altamente indicada para uso em áreas rurais, particularmente em centrais de

pequeno porte. De tecnologia bastante simples requer poucos equipamentos para a

sua fabricação e manutenção, permitindo sua construção em oficinas pouco

sofisticadas. O seu campo de aplicação atende quedas de 3 a 100 metros, vazões

de 0,02 a 2,0 m³/s e potências de 1 a 100KW. Devido à sua facilidade de

padronização pode apresentar rotações especificas entre 40 e 200 rpm.


32

TURBINAS WHIRLPOOL: É uma turbina que, segundo os fabricantes, pode ser

instalada rapidamente (uma semana) e pode abastecer de energia elétrica de 60

residências. Altamente indicada para uso em áreas rurais, particularmente em

centrais de pequeno porte.

•Pode ser instalado na maioria dos rios e canais.

•O gerador poderia ser a solução para fornecer energia de baixo custo para áreas

rurais em todo o mundo.


33


https://www.youtube.com/watch?v=XiefORPamLU

34

TURBINAS ARQUIMEDES: É uma turbina que pode ser instalada para abastecer

de energia elétrica pequenas cargas como residências, iluminação pública de

parques e bosques, etc. Pode ser instalado na maioria dos rios e canais.


Exemplo de Turbina a Hélice de

Arquimedes de 56 pés instalada que

produz energia suficiente para acender

as 350 lâmpadas de uma casa.

35

TURBINAS ARQUIMEDES


36


37

Capacidade das TurbinasCLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS HIDRAÚLICAS

38

•Represamento das águas do rio Capivari situado no 1º planalto

•Localização do reservatorio a 830 metros acima do nível do mar

•Desvio para o rio Cachoeira no litoral

•A queda d’ água, é de aproximadamente 750 metros

•Volume do reservatório 150.000.000 de m3.

•O canal de água com 14.100 metros

•4 Turbinas Pelton

•Vazão de engolimento máximo das turbinas: 38 m3/s.

•Rotação 514 rpm

•Quatro alternadores totalizando 252.000 kW , 63.00 kW cada

Usina Hid. Governador Parigot de Souza GPS

39

Usina Hidrelétrica Itaipu

•Barragem Altura: 196 m•Comprimento total: 7.919 m•Bacia Hidrográfica Área: 820.000 km²•Vazão média afluente: 11.663 m³/s•Unidades geradoras: 20, Potência: 700 MW•Queda: 118,4 m•Vazão Nominal: 690 m³/s•Condutos forçados quantidade: 20•Comprimento: 142 m•Diâmetro interno: 10,5 m•Descarga nominal: 690 m³/s•Turbinas Vazão nominal: 690 m³ de água/s

40


GPS ITAIPU

41

Seleção de turbinas para microcentrais hidráulica em

função da VAZÃO x QUEDA

42

Seleção de turbinas para microcentrais hidráulica em

função da VAZÃO x QUEDA

geração de energia introdução a geração de energia

Documents