Produção da energia eléctrica

Formas de Energia

. RENOVÁVEIS

. NÃO RENOVÁVEIS

Energias não renováveis

Combustíveis fósseis: Petróleo, Carvão e Gás Natural

Existem três grandes tipos de combustíveis fósseis: o carvão, o petróleo e o gás natural.

Os três foram formados há milhões de anos na época dos dinossauros, daí o nome de combustível

fóssil.

Os combustíveis fósseis são resultado de um processo de decomposição das plantas e dos animais.

As fontes de energia não renováveis são finitas e esgotam-se (um poço de petróleo não pode ser

enchido pois este combustível é resultado de milhões de anos de decomposição orgânica). Uma vez gasta, não é

possível usá-la de novo, por isso, o melhor é conservar e poupar ao máximo as formas de energia não renovável.

FONTES DE ENERGIA

As energias renováveis são fontes inesgotáveis de energia obtidas da Natureza que

nos rodeia, como o Sol ou o Vento. Estas energias podem ser:

• Energia Solar A energia do Sol pode ser convertida em electricidade ou em calor, como por

exemplo os painéis solares fotovoltaicos ou térmicos para aquecimento do ambiente ou de água;

• Energia Eólica A energia dos ventos que pode ser convertida em electricidade através de

turbinas eólicas ou aerogeradores;

• Energia Hídrica A energia da água dos rios, das marés e das ondas que podem ser convertidas

em energia eléctrica, como por exemplo as barragens;

• Energia Geotérmica A energia da terra pode ser convertida em calor para aquecimento do

ambiente ou da água;

Vantagens da utilização das energias renováveis

Desenvolvimento nacional o investimento das energias renováveis. Isto porque, além de

contribuírem para a preservação do ambiente, o seu aproveitamento não provoca a exaustão de recursos, sendo

ainda um passo no sentido da diminuição da dependência energética nacional em relação ao exterior.

Criação de novos postos de trabalho e a fixação de população em áreas que têm tendência para a

desertificação.

As energias renováveis representarão, sem dúvida, um contributo cada vez mais significativo

para a satisfação das necessidades do consumo de energia eléctrica. Espera-se que até 2010 as energias

renováveis assegurem 12% dessas necessidades, o que significaria uma duplicação relativamente à actual

situação.

Representação dos países da União Europeia com maior consumo de energias renováveis

ENERGIA BIOMASSA

Biomassa é uma substância orgânica, produzida pelo processo de acumulação de energia solar. O

seu maior potencial é ser uma energia renovável e quase ilimitada. O principal benefício da   biomassa é que

não causa as grandes emissões para a atmosfera de dióxido de enxofre, como outros combustíveis fósseis. O

balanço do dióxido produzido na queima da biomassa é igual a zero, devido à sua absorção no processo de

fotossíntese. A situação é diferente no que diz respeito a energias não renováveis, que poluem

consideravelmente o ambiente através de grandes emissões de dióxido de enxofre, produzido na queima de

carvão, gasóleo, óleo e gás.

Através do uso da biomassa, não só estamos a diminuir as emissões de dióxidos, mas também

estamos a provocar que o desemprego nas zonas rurais diminua pois estamos a melhor aproveitar a biomassa

existente na natureza.

Utilizando a biomassa de campos e florestas, estaremos a aumentar a procura de bens de

agricultura e floresta, e assim promovemos a criação de novos postos de trabalho.

Nos países do leste europeu, como Áustria, Dinamarca, Suiça e Alemanha, as Pellets são

utilizadas para aquecimento de edifícios à mais de uma década, e ao longo do tempo, Pellets, tem ganho mais e

mais adeptos.

A fonte de energia da biomassa deriva dos produtos e subprodutos da floresta, resíduos da

indústria da madeira, resíduos de culturas agrícolas, efluentes domésticos e de instalações agro-pecuária,

efluentes e resíduos de indústrias agro-alimentares (é o caso dos lacticínios, matadouros, lagares, industrias de

transformação de frutos secos), culturas energéticas (biocombustíveis) e resíduos sólidos urbanos que podem

ser utilizados para aquecimento ambiente, produção de águas quentes e confecção de alimentos, como

alternativa à energia eléctrica e ao gás de petróleo liquefeito (GPL)- combustíveis mais dispendiosos que a

madeira.

O aproveitamento da biomassa para fins energéticos é feito através de alguns processos como a

combustão directa (a gaseificação e a pirólise) e a digestão anaeróbia. Mas a pirólise e a gaseificação (produção

de combustíveis líquidos e gasosos por tratamento térmico da biomassa vegetal) são processos ainda em

aplicação em Portugal.

Produção da energia eléctrica

Central Termoeléctrica de Mortágua

A Central Termoeléctrica de Mortágua é o único exemplo em Portugal de produção de electricidade que utiliza como principal combustível a biomassa. Localiza-se na zona Centro do País, na margem direita da albufeira da Aguieira.

A Central Termoeléctrica de Mortágua é o único exemplo em Portugal de

produção de electricidade utilizando como principal combustível a

biomassa.

A Central Termoeléctrica de Mortágua começou a operar em Agosto de 1999,

estando projectada para o escoamento de cerca de 80.000 toneladas ano

resíduos florestais queimados numa caldeira de 33MWth. Em 2002 esta central consumiu cerca de 70.000

toneladas de Biomassa e em 2003 o consumo foi superior a 80.000 toneladas.

A Central tem uma potência instalada de 10 MVA – 9 MW e foi projectada para entregar à rede

de distribuição de energia eléctrica cerca de 60 GWh por Ano, permitindo abastecer uma população na ordem

dos 35 mil habitantes.

Como resíduos florestais a Central utiliza ramos e bicadas, aparas de abate, pinhas secas, cascas

e frutos, caruma e folhagem e material lenhoso abandonado.

Central Termoeléctrica de Mortágua

Localização: Mortágua

Promotor/Proprietário: EDP

Capacidade Total [MW]: 9

Nº equip. :

Potência Unidade [MW]:

Fabricante:

Modelo:

Ano de construção:

Notas:

Lat: 40.377

Long:-8.186

Funcionamento das Centrais Termoeléctricas

Nas centrais termoeléctricas ocorre a transformação da energia térmica em energia eléctrica por um processo electromagnético.

A produção de energia eléctrica, a partir da queima de combustíveis fósseis (carvão ou fuel

ou gás natural), obtém-se por expansão do vapor de água produzido nas caldeiras, o qual faz mover as

turbinas, que, por sua vez, accionam os geradores.

A queima dos combustíveis fósseis é utilizada nas centrais termoeléctricas para aquecer grandes quantidades de água em

enormes caldeiras. Este aquecimento origina uma grande quantidade de vapor que, quando é utilizado sob pressão, faz movimentar as pás das

turbinas. Estas fazem movimentar potentes electroímanes que giram a grandes velocidades entre bobinas produzindo corrente eléctrica alternada

que, nas centrais portuguesas, tem uma frequência de 50 hertz.

Energia Eólica

O vento consiste na deslocação de massas de ar originada por diferenças de pressão atmosférica,

causadas pelo aquecimento diferencial da superfície terrestre. Deste modo, as tecnologias utilizadas no aproveitamento

da energia eólica baseiam-se em transformar a energia do vento em energia mecânica, recorrendo a máquinas

designadas por aeromotores, tais como, os antigos moinhos de cereais e os moinhos para bombagem de água,

conhecidos como "Americanos".

A energia cinética do vento tem sido igualmente utilizada, ao longo dos milhares de anos, para

movimentar barcos e caravelas.

No entanto, a energia eólica pode também ser utilizada para produzir electricidade, sendo as máquinas

responsáveis por esta conversão (de energia eólica em energia eléctrica) designadas por aerogeradores ou turbinas

eólicas.

Nota: Em física, a energia cinética é a quantidade de trabalho que teve que ser realizado sobre um

objecto para tirá-lo do repouso e colocá-lo a uma velocidade v.

Para um objecto de massa m a uma velocidade v a energia cinética é calculada como: Ec=mv2/2Passa para diap.71

Hoje em dia, o número de aerogeradores instalados é já de muitas dezenas de milhar, desde os

mais pequenos da ordem dos poucos KW, até aos grandes sistemas experimentais cuja potência é superior aos

1000 KW. Assim, as turbinas eólicas para a produção de energia eléctrica podem ser montadas isoladamente ou

em grupos, conhecidos como parques eólicos, geralmente situados em zonas abertas com uma média anual da

velocidade do vento elevada.

ENERGIA EÓLICA

Os aerogeradores foram concebidos, para a produção de electricidade

através da força do vento. Estes sistemas são os ideias para funcionar em paralelo com sistemas fotovoltaicos para garantir a produção de energia em qualquer situação climatérica. Temos uma vasta gama de potências, que vai

desde os 400 W e os 15KW

Cerca de 90% dos aerogeradores instalados pertencem aos Estados Unidos e países da União

Europeia, que ocupam, portanto, uma posição de destaque.

Em Portugal existem alguns locais em que o potencial de energia eólica pode justificar a sua

exploração em termos comerciais, nomeadamente algumas zonas da costa ocidental e áreas montanhosas, para

além, evidentemente, dos arquipélagos da Madeira e dos Açores, onde são exemplos o Parque Eólico do Caniçal

e o Parque Eólico de S. Jorge (Pico da Urze), respectivamente.

Também em Sines existe, actualmente, um parque em funcionamento, suficiente para fornecer

energia a 1400 famílias.

No entanto, os parques eólicos não são "um mar de rosas" pois têm um forte impacto ambiental,

na medida em que provocam ruído e poluição visual, pondo também em perigo a vida das aves.

Centrais Geotérmicas

A energia geotérmica tem origem na actividade térmica interna da Terra, advindo o calor

terrestre, em grande parte, da desintegração de elementos radioactivos presentes nas camadas mais profundas

do planeta. À medida que se avança para o interior da Terra a sua temperatura aumenta. O gradiente

geotérmico mede o aumento de temperatura em função da profundidade

Na Terra o valor do gradiente é da ordem dos três graus Celsius por cada 100 m. Este valor

permite considerar dois tipos de geotermia: a energia geotérmica de alta entalpia e a energia geotérmica de

baixa entalpia. A energia geotérmica de baixa entalpia está associada a zonas geotermicamente estáveis e pode

ser utilizada em aquecimento ambiente de edifícios e nos sectores agrícolas e industrial. As temperaturas da

água situam-se nos 60 a 80 graus Celsius. A energia geotérmica de alta entalpia está ligada a regiões

geologicamente activas. Nestas zonas activas atinge-se temperaturas de 150 a 300 graus Celsius a uma

profundidade de 500 a 2000m. 

Estações Termais em Portugal Continental

No domínio das altas entalpias, a sua exploração é possível nas ilhas açorianas. Existe um

aproveitamento nas ilhas de São Miguel nos Açores.

Energia Geotérmica

Central Geotérmica dos Açores

Funcionamento de Centrais

Geotérmicas

É uma energia renovável, em forma de calor, que tem a vantagem de ser económica, segura e

amiga do ambiente, quando comparada com as energias convencionais.

Esta energia pode ser utilizada tanto no fabrico de energia eléctrica como na utilização directa do

calor.

O calor é trazido para próximo da superfície terrestre por termo condutores. A água à superfície

é aquecida originando água quente e vapor, sendo aproveitada para mover a turbina do gerador

A energia geotérmica é uma energia que se obtém através do aproveitamento energético do

"calor" da Terra. Este "calor" deve-se ao facto de o interior da Terra apresentar uma temperatura bastante

superior à da sua superfície, provocando, assim, um fluxo contínuo de calor em direcção à superfície terrestre e

deve-se também à radioactividade natural das rochas.

Consoante a estrutura geológica da Terra, a cada 100 metros de profundidade ocorre, em média,

uma elevação de temperatura de 2,5% (gradiente geotérmico). O aproveitamento desta energia pode ser feito

directamente de um fluído geotérmico líquido e/ou gasoso, ou, não existindo um fluído, através da injecção de

água em maciços rochosos profundos e artificialmente fracturados (Hot Dry Rock).

É possível considerarem-se dois tipos de geotermia: a geotermia de baixa entalpia, no caso de a

temperatura do fluído à superfície ser inferior a 150ºC (o fluído a esta temperatura é utilizado no aquecimento

ambiente e de águas, no aquecimento de estufas agrícolas, na piscicultura e em alguns processos industriais) e a

geotermia de

Energia Hídrica ou Hidroeléctrica

alta entalpia, no caso de o fluído alcançar a superfície terrestre a uma temperatura superior a 150ºC (o fluído

pode ser utilizado para a produção de electricidade e posterior aproveitamento térmico).

Nos Açores, mais precisamente na ilha de S. Miguel, existe uma central geotérmica de alta

temperatura (superior a 150ºC), onde os geofluídos captados da Lagoa do Fogo são aproveitados para a

produção de energia eléctrica.

Nas centrais hidroeléctricas, através de turbinas hidráulicas, associadas a geradores e

alternadores é possível converter energia hídrica em energia eléctrica (na maioria dos casos com um rendimento

global superior a 90%).

As centrais hidroeléctricas podem ser, quanto ao tipo de aproveitamento, a fio de água e de

albufeira e, quanto à localização, em exteriores ou em cavernas.

Convém distinguir as grandes centrais hidroeléctricas das centrais hidroeléctricas de pequenas

dimensões, as mini-hídricas que têm potências instaladas até cerca de 10KW.

Uma mini-hídrica não é mais do que um "moinho de água" de maiores dimensões. A

energia produzida numa mini-hídrica pode alimentar uma povoação, um complexo industrial, agrícola

ou a rede nacional de distribuição de energia eléctrica.

A produção de energia nestas centrais só se verifica em cerca de ¾ do ano, pelo que se

torna necessário recorrer a grandes centrais hídricas, ou térmicas.

Desde que tomadas as devidas precauções é possível construir e operar centrais mini-

hídricas com um impacto ambiental mínimo nos cursos de água assim, quanto mais energia for gerada

menos será produzido em centrais térmicas, minimizando os impactos ambientais.

Embora a energia hidráulica dos cursos de água tenha constituído a primeira fonte natural

utilizada pelo homem para a produção de energia em seu benefício, o seu desenvolvimento só se efectuou

no início do século XX.

Energia Solar

Painel solar

O aproveitamento adequado de uma das mais neutras formas de energia em termos de impacto

ambiental, como é a energia do Sol, faria todo o sentido ao nível do território português. Isto porque o nosso país

chega a atingir cerca de 2100 a 3100 horas de insolação por ano, equivalendo estas a 1700 KWH por metro quadrado.

A conversão da energia solar em energia utilizável pode realizar-se de várias formas, referidas no

esquema que se segue:

   Através dos sistemas fotovoltaicos, a energia solar é directamente transformada em energia eléctrica por

intermédio de células semicondutoras de silício, ditas fotovoltaicas.

Nos sistemas activos é utilizado um captador de energia – colector solar, que possibilita o aquecimento

de fluídos líquidos ou gasosos. Podem utilizar-se para a produção de águas quentes ao nível do sector doméstico e

também em piscinas, gimnodesportivos, hospitais, hotéis ou sector industrial.

Os sistemas solares passivos são sistemas que captam, armazenam e usam directamente a energia

solar que neles incide, sendo os mais frequentes, os edifícios concebidos de modo a tirarem o melhor partido da

energia solar incidente. Para isso existe um grande número de intervenção ao nível das tecnologias passivas,

desde as mais simples, como o isolamento do edifício, até outras mais complexas, respeitantes à concepção do

edifício e aos materiais utilizados. O principal "travão" para o aproveitamento da energia solar é o seu custo,

principalmente no caso dos sistemas fotovoltaicos, o que faz baixar a sua rentabilidade. Como tal, têm-se

procurado formas de minimizar o custo e melhorar a eficácia das células fotovoltaicas.

Centrais hidroeléctricas

Nas Centrais Hidroeléctricas realiza-se a transformação em potência eléctrica com um

rendimento global em muitos casos superior a 90% da potência hidráulica contida no produto Q x H do caudal

turbinado (m3/s) pela altura útil de queda (m), constituindo a roda de uma turbina associada a um alternador,

o elemento primário desta transformação.

Conforme o valor de H, assim se considera aproveitamentos de baixa, média e alta queda, sendo

além disso este valor que condiciona o tipo de turbina a utilizar: Kaplan ou de pás orientáveis (até quedas de 70

m), Francis (podendo já atingir os 500 m) e Pelton (para quedas que vão já hoje até aos 1500 m).

Nas zonas de transição, a escolha do tipo mais conveniente de turbina é um problema complexo,

de natureza técnica e económica, recorrendo-se, para isso, ao parâmetro característico, denominado velocidade

específica Ns. Admite-se, normalmente, que o valor Ns=350 divide os campos de aplicação das turbinas Francis

e Kaplan de Ns mais elevadas; por outro lado, a tendência actual, por motivos económicos e mercê, ainda, dos

processos técnicos alcançados, orienta-se no sentido de deslocar para cima o campo de aplicação das Francis,

levando-as a domínios até há poucas anos atribuídos exclusivamente às Pelton.

Para quedas inferiores a 15m é, hoje, corrente a técnica do emprego de grupos do tipo bolbo

(turbinas axiais), pela forma exterior que apresentam, os quais trabalham como turbina e como bomba nos dois

sentidos e encontram um campo vasto de aplicação nos grupos submersos das correntes maremotrizes.

As turbinas hidráulicas são normalmente lentas, com velocidades mais correntes na zona das

poucas centenas de rotações, embora se conheçam turbinas de 1000 e mesmo 1200 rpm (velocidades periféricas

do rotor não superiores a 85 m/s).

O aumento das potências dos grupos das Centrais hidroeléctricas conduz a uma redução do custo

específico de fabrico e melhoria do rendimento (95 a 96% em certos casos). No caso das Pelton, o aumento de

potência tem conduzido à tendência para um maior número de jactos.

Nos alternadores, o aumento de potência unitária depende, em grande parte, da técnica de

refrigeração directa por água nos enrolamentos estatóricos (canais interiores) e forçada por ar nos

enrolamentos rotóricos, com abandono da refrigeração indirecta por ar em circuito fechado.

Quanto ao tipo do aproveitamento, as Centrais Hidroeléctricas, podem ser a fio de água (como

Belver no Tejo e as do Douro) e de albufeira, com ou sem bombagem (Pisões e Castelo de Bode,

respectivamente); quanto à situação, consideram-se centrais exteriores (Bouça) e centrais em caverna (Picote),

hoje muito generalizadas por motivos técnicos e económicos ligados a condições favoráveis da topografia e da

geologia do terreno (a primeira central em caverna data de 1907).

Nas instalações com circuitos hidráulicos muito extensos, quer a montante em conduta forçada,

quer a jusante em canal, adoptam-se dispositivos especiais (chaminés de equilíbrio, válvulas de descarga,

deflectores) com o fim de melhorar as condições de estabilidade dos grupos e de reduzir as sub pressões e as

depressões provenientes de fechos bruscos das turbinas.

As albufeiras formam lagos artificiais criados por meio de barragens (ou simples açudes) que

constituem normalmente os órgãos de custo mais elevado de um aproveitamento hidroeléctrico.

Em certos casos constroem-se albufeiras de fins múltiplos, sobretudo hidro-agricolas.

Nas centrais a fio de água, a barragem é normalmente mais desenvolvida em comprimento do

que em altura e pode, com c auxílio de eclusas, tornar viável a navegabilidade dos cursos de água (caso do

Douro Nacional). As albufeiras constituem, também, um meio de regulação dos regimes de afluências hídricas

consideradas ao longo do ano (regularização estival, como as centrais do Zêzere), e em casos diferentes

(regularização inter-anual, como Pisões), permitindo a transferência de afluências energéticas em períodos de

chuvas para os meses (ou os anos) mais secos. Com as instalações de bombagem, procura-se ainda uma

regularização em períodos mais curtos, normalmente diários, pelo aproveitamento da energia disponível das

horas de vazio do diagrama de carga das redes.

Embora a energia hidráulica dos cursos de água tenha constituído a primeira fonte natural

utilizada pelo homem para a produção de energia em seu benefício, o seu maior desenvolvimento data

dos princípios do século XX. O aproveitamento das elevadas quedas das altas montanhas e dos caudais

provenientes dos degelos, originou a designação de hulha branca, vulgarmente atribuída à energia

hidroeléctrica.

Em Portugal, o aproveitamento hidroeléctrico mais antigo para uso público data de 1891 e

foi construído no rio Cávado, próximo de Penide. Na ilha de S. Miguel encontra-se, ainda hoje, em

serviço a Central da Vila, na Ribeira da Praia, construída em 1899.

Uma usina hidrelétrica (português brasileiro) ou central hidroeléctrica (português europeu) é um

complexo arquitectónico, um conjunto de obras e de equipamentos, que tem por finalidade produzir energia

eléctrica através do aproveitamento do potencial hidráulico existente em um rio.

Dentre os países que usam essa forma de se obter energia, o Brasil se encontra apenas atrás do

Canadá e dos Estados Unidos, sendo, portanto, o terceiro maior do mundo em potencial hidrelétric

As centrais hidrelétricas geram, como todo empreendimento energético, alguns

tipos de impactos ambientais como o alagamento das áreas vizinhas, aumento no nível dos rios, em algumas

vezes pode mudar o curso do rio represado, podendo, ou não, prejudicar a fauna e a flora da região. Todavia, é

ainda um tipo de energia mais barata do que outras como a energia nuclear e menos agressiva ambientalmente

do que a do petróleo ou a do carvão, por exemplo. A viabilidade técnica de cada caso deve ser analisada

individualmente por especialistas em engenharia ambiental e especialista em engenharia hidráulica, que

geralmente para seus estudos e projectos utilizam modelos matemáticos, modelos físicos e modelos geográficos.

CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Esquema de uma central hidroeléctrica

O cálculo da potência instalada de uma usina é efectuado através de estudos de energéticos que

são realizados por engenheiros mecânicos, electricistas e civis. A energia hidráulica é convertida em energia

mecânica por meio de uma turbina hidráulica, que por sua vez é convertida em energia eléctrica por meio de

um gerador, sendo a energia eléctrica transmitida para uma ou mais linhas de transmissão que é interligada à

rede de distribuição.

Um sistema eléctrico de energia é constituído por uma rede interligada por linhas de transmissão

(transporte). Nessa rede estão ligadas as cargas (pontos de consumo de energia) e os geradores (pontos de

produção de energia). Uma central hidroeléctrica é uma instalação ligada à rede de transporte que injecta uma

porção da energia solicitada pelas cargas.

A Usina Hidrelétrica de Tucuruí, por exemplo, constitui-se de uma das maiores obras da

engenharia mundial e é a maior usina 100% brasileira em potência instalada com seus 8.000 MW, já que a

Usina de Itaipu é binacional.

Turbinas hidráulicas

Turbinas

Turbina Pelton, um tipo de impulso água turbina.

Turbina Francis, um tipo de água utilizada amplamente turbina.

Turbina Kaplan, uma variação da turbina Francis.

Voith, água turbina.

A principal classificação numérica de uma turbina é a sua velocidade específica.

Este número descreve a velocidade da turbina, na sua máxima eficiência no que diz respeito ao

poder e de débito. A velocidade específica é derivado de ser independente do tamanho turbina.

Dado o fluxo de fluido e as condições desejadas eixo de saída velocidade, a velocidade

específica pode ser calculado e uma turbina adequada projecto seleccionado. A velocidade

específica, juntamente com algumas fórmulas fundamentais pode ser usado para uma escala

fiável existente concepção de conhecer o desempenho de uma nova dimensão com o

correspondente desempenho.

Turbinas (velocidade específica)

Velocidade Específicans

4 - 30 PELTON com 1 injector

30 - 70 PELTON com vários injectores

50 - 125 FRANCIS lenta - BANKI - MICHELL

125 - 200 FRANCIS normal - BANKI - MICHELL

200 - 350 FRANCIS rápida - BANKI - MICHELL - HÉLICE

350 - 500 FRANCIS muito rápida - HÉLICE

500 - 1000 HÉLICE - KAPLAN

Turbinas (altura de queda e caudais)

H

m

Q

m3/s

Turbina

1500 a 700 5 a 10 PELTON

700 a 10 0.5 a 5 BANKI - MICHELL

700 a 10 10 a 30 FRANCIS

< 25 10 a 70 HÉLICE - KAPLAN

Rendimento das turbinas

Quando as turbinas operam com o máximo caudal e queda o rendimento

aproxima-se

dos 90%. Quando o caudal varia as turbinas de melhor desempenho são a PELTON ( por se poder

mudar o diâmetro do injector) e a KAPLAN (devido ao facto de se poder variar o passo da

hélice). Apenas com metade do caudal conseguem-se rendimentos superiores a 85%.

A turbina FRANCIS com metade do caudal apresenta rendimentos abaixo dos

80% sendo as de hélice (pás fixas) as que apresentam pior desempenho (75%) quando o caudal

se reduz para metade.

Turbinas hidráulicas

As turbinas hidráulicas são projectadas para transformar a energia hidráulica (a energia de

pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em energia mecânica. Actualmente são mais encontradas em

usinas hidrelétricas, onde são acopladas a um gerador eléctrico, o qual é conectado à rede de energia. Contudo

também podem ser usadas para geração de energia em pequena escala, para as comunidades isoladas

Características da Turbinas

1 Princípios

2 Projecto

3 Partes principais de uma turbina hidráulica

3.1 Caixa espiral

3.2 Pré distribuidor

3.3 Distribuidor

3.4 Rotor e eixo

3.5 Tubo de sucção

Princípios

As turbinas hidráulicas dividem-se em diversos tipos, sendo quatro tipos principais: Pelton,

Francis, Kaplan, Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar numa central com uma determinada

faixa de altura de queda e vazão. As vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma

delas mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q).

Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela tomada de

água à montante da usina hidrelétrica que está num nível mais elevado e é levada através de um conduto

forçado até a entrada da turbina. Então 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. Nas turbinas Pelton

não há um sistema de palhetas móveis e sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O

controle da vazão é feito por este dispositivo.

Por transferência de quantidade de movimento parte da energia

potencial dela é transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rotação. Devido a isto

a água na saída da turbina estará a uma pressão bem menor do que a inicial.

Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção conduz a

água até a parte de jusante da casa de força (no nível mais baixo). As turbinas Pelton têm um

princípio um pouco diferente (impulsão) pois a pressão primeiro é transformada em energia

cinética, em um bocal, onde o fluxo de água é acelerado até uma alta velocidade e em seguida

choca-se com as pás da turbina imprimindo-lhe rotação e torque.

As turbinas hidráulicas podem ser montadas com o eixo no sentido

vertical ou horizontal. Os esforços oriundos do peso próprio e da operação da máquina são

suportado axialmente por mancais de escora e contra-escora e radialmente por mancais de guia,

sendo que o arranjo e quantidade de mancais podem variar em cada projecto.

Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instalada

em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar eletricidade. Por esta

razão a velocidade de rotação é fixada num valor constante.

A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão:

P = ρQHgη

O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fracção da

energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no

caso potência de eixo).

As principais causas da "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 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.

Projecto

O projecto de uma turbina hidráulica é específico para cada usina hidrelétrica. Isto se deve ao

fato de que a selecção de uma turbina hidráulica é baseada na queda e vazão disponíveis no local onde a

turbina será instalada, o que resultará em máquinas com rotações, diâmetros e potências diferentes, resultando

em projectos quase que exclusivos para cada Usina.

Partes principais de uma turbina hidráulica

Uma turbina é constituída basicamente por cinco partes: caixa espiral, pré-distribuidor,

distribuidor, rotor e eixo, tubo de sucção.

Caixa espiral

É uma tubulação de forma toroidal que envolve a região do rotor. Esta parte fica integrada à

estrutura civil da usina, não sendo possível ser removida ou modificada. O objetivo é distribuir a água

igualmente na entrada da turbina.

É fabricada com chapas de aço carbono soldadas em segmentos. A caixa espiral conecta-se ao

conduto forçado na secção de entrada, e ao pré-distribuidor na secção de saída.

Pré distribuidor

A finalidade do pré-distribuidor é direccionar a água para a entrada do distribuidor. É composta

de dois anéis superiores, entre os quais são montados um conjunto de palhetas fixas, com perfil hidromecânico

de baixo arrasto, optimizando sua influência na perda de carga e turbulência no escoamento. É uma parte sem

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

Distribuidor

O distribuidor é composto de uma série palhetas móveis, accionadas por um mecanismo

hidráulico montado na tampa da turbina (sem contacto com a água). Todas as palhetas tem o seu movimento

conjugado, isto é, todas se movem ao mesmo tempo e de maneira igual.

O acionamento é feito por um ou dois pistões hidráulicos que operam numa faixa de pressão de

20 bar nas mais antigas, até 140 bar nos modelos mais novos. Estes pistões hidráulicos controlam o anel de

regulação, ao qual estão acopladas as palhetas directrizes. Há casos em que não há anel de regulação para

sincronizar o movimento de abertura e fechamento das palhetas. Neste caso, são utilizados diversos

servomotores, sendo cada um designado a movimentar uma única palheta directriz.

O distribuidor controla a potência da turbina pois regula vazão da água. É um sistema que pode

ser operado manualmente ou em modo automático, tornando o controle da turbina praticamente isento de

interferência do operador.

Rotor e eixo

O rotor da turbina é onde ocorre a conversão da potência hidráulica em potência mecânica no

eixo da turbina.

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 parte jusante da casa de força.

Turbina Pelton

A turbina Pelton é uma turbina hidráulica de acção, isto é, funciona à pressão atmosférica. É

constituída por uma roda e um ou mais injectores, cuja função é transformar a energia de pressão do

escoamento em energia cinética, orientando esse mesmo escoamento para a roda. É mais adequada para

grandes quedas úteis (entre os 350 m até 1100 m). Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação

Turbina Pelton maiores que as outras, e tem o rotor de característica bastante

distintas. Os jactos de água provenientes dos injectores ao chocarem com as pás do rotor (em forma de dupla

colher) geram o impulso que faz com que a roda se mova.

Características da Turbina Pelton

Injector

Dependendo da potência que se queira gerar podem ser accionados 6 injectores simultaneamente,

ou apenas cinco, quatro, etc. O número normal de injectores varia de dois a seis, igualmente espaçados

angularmente para garantir um balanceamento dinâmico do rotor. Para controlar o escoamento nos injectores,

dentro destes está instalada uma agulha. Após a água bater nas pás é recolhida para um canal de restituição,

para que seja reaproveitada.

Os jactos de água incidem tangencialmente à roda, maximizando a produção de energia da

turbina. Contudo, o escoamento nem sempre é constante, logo, para além da agulha, os injectores estão também

munidos de deflectores que permitem que os jactos sejam desviados da roda. Isso pode acontecer, por exemplo

quando existe uma queda brusca da potência pedida à turbina. Desta forma, a agulha pode fechar

progressivamente diminuir o caudal escoado, evitando altas sobrepressões devidas a golpe de Ariete, ou

sobrevelocidades indesejáveis de rotação.

Roda

A roda pode ser instalada na horizontal ou na vertical, dependendo muito da dimensão da roda.

Se for uma turbina de grandes dimensões beneficiará se for horizontal pois a água que cai das pás, depois de

ter embatido nestas, iria causar efeitos secundários potencialmente indesejados.

Limitações

Um dos maiores problemas destas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se choca

com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de

montanhas. As turbinas Pelton, devido a possibilidade de accionamento independente nos diferentes bocais,

tem uma curva geral de eficiência plana, que lhe garante bom desempenho em diversas condições de operação.

Turbina Francis

A Turbina Francis é uma turbina hidráulica que foi desenvolvida pelo engenheiro

estadounidense James B. Francis em 1849.

Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A

Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Usina Hidrelétrica de

Furnas, Usina Hidrelétrica de Foz do Areia, AHE de Salto Pilão e outras no Brasil funcionam

com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda de água.

Turbina Francis

TURBINAS FRANCISRótor Francis, de alta potência, para desnível médio.

Turbina bolbo

A turbina bolbo é uma turbina hidráulica. Basicamente trata-se de uma unidade geradora

composta de uma turbina Kaplan e um gerador envolto por uma cápsula. A cápsula por sua vez fica imersa no

fluxo d'água (imerso na água), isto acarreta em um equipamento que exige uma vedação mais precisa o que

impacte em um espaço menor para acesso de manutenção.

Operam em quedas abaixo de 20 m. Foram inventadas na década de 30. As primeiras foram

construídas pela empresa Escher Wyss em 1936.

Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porém devido a baixa queda, o

gerador hidráulico encontra-se em um bolbo por onde a água flúi ao seu redor antes de chegar as pás da

Turbina.

A maior unidade tipo Bolbo construída encontra-se no Japão, na usina de Tadami que possui

65,8 MW de potência, queda de 19,8m e rotor com diâmetro de 6,70 metros.

A turbina bolbo é uma turbina hidráulica. Basicamente trata-se de uma unidade geradora

composta de uma turbina Kaplan e um gerador envolto por uma cápsula. A cápsula por sua vez fica imersa no

fluxo d'água (imerso na água), isto acarreta em um equipamento que exige uma vedação mais precisa o que

impacte em um espaço menor para acesso de manutenção.

Operam em quedas abaixo de 20 m. Foram inventadas na década de 30. As primeiras foram

construídas pela empresa Escher Wyss em 1936.

Possui a turbina similar a uma turbina Kaplan horizontal, porém devido a baixa queda, o

gerador hidráulico encontra-se em um bolbo por onde a água flúi ao seu redor antes de chegar as pás da

Turbina.

A maior unidade tipo Bolbo construída encontra-se no Japão, na usina de Tadami que possui

65,8 MW de potência, queda de 19,8m e rotor com diâmetro de 6,70 metros.

Turbinas Bulbo

A turbina bulbo apresenta-se como uma solução compacta da turbina Kaplan, podendo ser

utilizada tanto para pequenos quanto para grandes aproveitamentos. Se caracteriza por ter o gerador montado

na mesma linha da turbina em posição quase horizontal e envolto por um casulo que o protege do fluxo normal

da água.

É empregada na maioria das vezes para aproveitamentos de baixa queda e quase sempre a fio de

água. Sua concepção compacta de uma turbina Kaplan reduz consideravelmente o volume das obras civis,

tornando a mesma de menor custo. Em compensação, o custo do equipamento electromecânico, turbina e

gerador é maior que os das turbinas convencionais, pela tecnologia e processos de fabricação aplicáveis em

termos de ajustes e vedações. Pela relação do SIPOT, podemos encontrar algumas dessas turbinas instaladas

nos mais diversos estados brasileiros, de potências variando de 0,43 MW até 42 MW, ou ainda as futuras

turbinas da usina de Canoas, com 80 MW.

Turbina Kaplan

A turbina Kaplan é uma turbina hidráulica. É adequada para operar entre quedas até 60m. A

única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este assemelha-se a um propulsor de navio

(similar a uma hélice). Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, é responsável pela

variação do ângulo de inclinação das pás. O óleo é injectado por um sistema de bombeamento localizado fora

da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de tubulações rotativas que passam por dentro do eixo.

O acionamento das pás é conjugado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma

determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor.

As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento

em uma ampla faixa de operação.

Centrais hidroeléctricas

Tipos de centrais hidroeléctricas.

Os aproveitamentos hidroeléctricos podem ser:

a) a fio de água;

b) Acumulação ou armazenamento;

c) Armazenamento por bombagem;

d) Com reversão.

Central a fio de água

Uma central a fio de água localiza-se num rio perene (com caudal constante

durante o

ano).

Localizam-se onde existem quedas, cascatas ou cachoeiras. É o tipo de

aproveitamento eléctrico mais barato, mas, actualmente, só é viável em algumas regiões de

África, Ásia, América do Sul e Canadá.

Algumas centrais a fio de água dispõem de algum armazenamento destinado a

compensar eventuais falhas no caudal. Quando existem grandes barragens a montante, que

garantem um caudal perene, é possível a construção das centrais por acumulação, combinada

com fio de água.

Central com acumulação ou armazenamento

Uma central por acumulação consiste na construção de uma barragem de modo a

armazenar um grande volume de água que será depois utilizado ao longo do tempo. As

turbinas trabalham dentro de uma certa faixa de utilização da água, isto é, tem que se manter

uma determinada queda.

Central por armazenamento por bombagem

Uma central com armazenamento por bombagem gera energia para atender à

carga

máxima mas durante as horas em que a demanda é reduzida, a água turbinada é bombada para um

reservatório a montante (geralmente a uma cota mais alta do que o primeiro reservatório. Esta

água bombada será posteriormente turbinada nas horas de ponta.

Central com reversão

Numa central com reversão, durante as horas mortas, a água é bombada para o

reservatório através de um grupo de turbinas que se transformam em bombas.

Como funcionam estas centrais?

Funcionamento das centrais hidroeléctricas As centrais hidroeléctricas são instalações onde se

produz energia eléctrica a partir da energia potencial das águas contidas nos lagos e rios. A água contida na

albufeira é conduzida por um circuito hidráulico para uma central onde a água em movimento é aproveitada

para fazer girar as pás das turbinas hidráulicas, que por sua vez faz funcionar o alternador, permitindo obter

corrente eléctrica elevada de média tensão. Esta tensão é posteriormente elevada através de transformadores e

transportada até aos consumidores. O conjunto constituído pelo circuito hidráulico, turbina, alternador e

transformador designa-se por grupo gerador hidroeléctrico.   Cada central hidroeléctrica é constituída por

vários grupos hidroeléctricos

.  .

 

Ver diap. 21                                                                                                                 Cada central

                                                

As centrais hidroeléctricas existentes, integradas em aproveitamentos hídricos de albufeira e de

fios de água, permitem satisfazer mais de um terço dos consumos anuais de energia eléctrica, em anos de

pluviosidade normal. Cabe às centrais térmicas a cobertura da parcela restante.

Central Hidroeléctrica da Aguieira

A localização dos aproveitamentos hidroeléctricos está relacionada com as características

geológicas, geográficas e hidrológicas do território. No nosso país é nas zonas centro, nas bacias dos rios Douro,

Mondego, Zêzere e Tejo, que estas características mais se evidenciam para a implantação dos aproveitamentos

hidroeléctricos. É nas regiões autónomas dos Açores e da Madeira que a energia hídrica constitui um grande

potencial energético.

Barragem do CALDEIRÃO

Barragem do Caldeirão

LOCALIZAÇÃO

Distrito - Guarda

Concelho - Guarda

Local - Caldeirão

Bacia Hidrográfica - Mondego

Linha de Água - Ribeira do Caldeirão

DADOS GERAIS

Promotor - CPPE, Cª. Portuguesa de Produção de Electricidade, SA

Dono de Obra (RSB) - CPPE

Projectista - EDP, Electricidade de Portugal

Construtor - Mota & Companhia

Ano de Projecto - 1988

Ano de Conclusão - 1993

CARACTERÍSTICAS HIDROLÓGICAS

Área da Bacia Hidrográfica - 38 km2

Precipitação média anual - 1286,4 mm

Caudal integral médio anual - 116000 x 1000 m3

Caudal de cheia - 350 m3/s

Período de retorno - 1000 anos

CARACTERÍSTICAS DA ALBUFEIRA

Área inundada ao NPA - 660 x 1000m2

Capacidade total - 5520 x 1000m3

Capacidade útil - 3470 x 1000m3

Nível de pleno armazenamento (NPA) - 702 m

Nível de máxima cheia (NMC) - 703,7 m

CARACTERÍSTICAS DA BARRAGEM

Betão – Arco

Altura acima da fundação - 39 m

Cota do coroamento - 707,1 m

Comprimento do coroamento - 122 m

Fundação - Xisto e Granito

Volume de betão - 26 x 1000 m3

DESCARREGADOR DE CHEIAS

Localização - No corpo da barragem

Tipo de controlo - Sem controlo

Tipo de descarregador - Sobre a barragem

Cota da crista da soleira - 702,0 e 702,7 m

Desenvolvimento da soleira - 83,55 m

Caudal máximo descarregado - 242 m3/s

Dissipação de energia - Bacia de dissipação

DESCARGA DE FUNDO CENTRAL

Localização - Talvegue

Tipo - Através da barragem

Secção da conduta - 1,0 x 1,5

Controlo a montante - Comporta vagão

Controlo a jusante - Comporta sector

HIDROELÉCTRICA

Tipo de central - Albufeira - Céu Aberto

Nº de grupos instalados - 1

Tipo de grupos - Francis

Potência total Instalada - 32 MW

Energia produzida em ano médio - 45 GWh

A barragem do Caldeirão está situada no concelho da Guarda, Portugal. O

projecto de construção foi feito em 1988 e a barragem foi inaugurada em 1993. Tem como

objectivo o abastecimento de água e a produção de energia. É feita sobre as águas do rio

Mondego.