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ováveis
Universidade Eduardo Mondlane
Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Mecanica
Energias Renovaveis
4o Ano
Prof. Doutor Engenheiro Jorge Nhambiu
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Aula 12 ◊ Energia Hidrica
Prof. Doutor Engº Jorge Nhambiu [email protected]
Engº Paxis Roque [email protected]
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ováveis 12.1 - Introdução
Entre os finais do século XIX e os princípios do século XX,
instalaram-se muitas centrais hidroeléctricas com potências
compreendidas entre algumas dezenas e poucos milhares de
quilowatts é precisamente nesse domínio de potências que hoje
levaria a classificá-las como pequenas centrais hidroeléctricas, ou,
na linguagem corrente, centrais mini-hídricas (CMH), o que levou
a que progressos verificados na transmissão da energia eléctrica
permitiram que os países alta e medianamente industrializados
passassem a estar cobertos por redes eléctricas densamente
malhadas.
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ováveis 12.1 - Introdução
Esta circunstância, aliada ao facto de as reservas de combustíveis
fósseis de fácil extracção serem consideradas como praticamente
inesgotáveis, e serem em número apreciável os locais com
condições favoráveis à instalação de grandes aproveitamentos
hidroeléctricos, levou a que a produção de energia eléctrica se
concentrasse em poucas centrais de elevada potência instalada,
beneficiando da inerente economia de escala.
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ováveis 12.1 - Introdução
Como consequência da evolução registada, tanto o investimento,
como as despesas de operação e manutenção por unidade de energia
produzida nas centrais hidroeléctricos de baixa potência, sofreram
agravamentos incomportáveis, o que levou à sua progressiva
degradação e mesmo ao encerramento de muitas unidades. A partir
dos choques petrolíferos de 1973 e, principalmente, de 1981, o
quadro de referência mudou substancialmente: aumentou o valor da
energia, os melhores locais para instalação de centrais hidroeléctricas
de grande porte já estavam tomados, os progressos verificados na
automação permitiram reduzir drasticamente as despesas de
exploração. 5
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ováveis 12.1 - Introdução
É nesta perspectiva que se insere o renovado interesse pelas CMH,
verificado a partir da década de oitenta. Os projectistas cedo se
aperceberam que uma CMH não devia ser concebida como uma
cópia em escala reduzida de uma instalação de elevada potência,
concluindo que o seu projecto requeria um grau apreciável de
inovação, a fim de reduzir os custos, garantindo, contudo, uma
fiabilidade adequada e simplicidade operativa. No domínio da
engenharia civil os esforços foram dirigidos para a concepção de
sistemas compactos e simples, tanto quanto possível pré-fabricados,
de modo a reduzir os trabalhos no local.
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ováveis 12.2 - CLASSIFICAÇÕES
A engenharia mecânica orientou-se para o projecto de turbinas
normalizadas, com rendimentos aceitáveis em diversas condições
de funcionamento, tendo em atenção que era no domínio das
quedas baixas que as oportunidades se afiguravam mais
promissoras.
A designação central mini-hídrica generalizou-se para designar os
aproveitamentos hidroeléctricos de potência inferior a 10 MW.
Este limite é geralmente usado como fronteira de separação entre
as pequenas e as grandes centrais hidroeléctricas.
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ováveis 12.2 - CLASSIFICAÇÕES
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Designação Pinst (MW)
Pequena central hidroeléctrica < 10
Mini central hidroeléctrica < 2
Micro central hidroeléctrica < 0,5
Tabela 12.1: Classificação das centrais mini-hídricas quanto à potência.
As primeiras, devido ao seu impacto ambiental diminuto, são
consideradas centrais renováveis; as segundas, embora usem um recurso
renovável, produzem efeitos não desprezáveis sobre o ambiente, pelo
que a sua classificação como centrais renováveis é problemática. Para as
centrais mini-hídricas, recomenda-se a classificação em função da
potência instalada.
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No que diz respeito à altura de queda, a classificação habitual é
a que se indica na Tabela 12.2.
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Tabela 12.2: Classificação das centrais mini-hídricas quanto à altura de queda
Designação hu (m)
Queda baixa 2–20
Queda média 20–150
Queda alta > 150
12.2 - CLASSIFICAÇÕES
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ováveis 12.2 - CLASSIFICAÇÕES
Outra classificação diz respeito à existência ou não de
capacidade de armazenamento.
As centrais a fio de água não têm capacidade de regularizar o
caudal, pelo que o caudal utilizável é o caudal instantâneo do
rio. Ao contrário, as centrais com regularização possuem
uma albufeira que lhes permite adaptar o caudal afluente. As
CMH são, regra geral, centrais a fio de água.
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Na Figura 12.1 apresentam-se os principais elementos que constituem
uma central mini-hídrica, com a seguinte legenda:
Albufeira (“intake”) e respectivo açude
Canal de adução (“feeder canal”)
Câmara de carga (“fore bay”)
Conduta forçada (“penstock”)
Edifício da central (“power house”)
Restituição (“tail race”)
Caudal ecológico (“reserve flow”)
Escada de peixe (“fish ladder”)
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12.2 - CLASSIFICAÇÕES
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Figura 12.1 Principais elementos de uma central mini-hídrica.
12.2 - CLASSIFICAÇÕES
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Em relação à situação em Moçambique, as últimas estatísticas nacionais
conhecidas [FUNAE] apontam para os valores apresentados na Tabela
12.3 os seguintes valores em termos da potência
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12.3 - SITUAÇÃO EM MOÇAMBIQUE
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# Projecto Localização Nome do RioPotência
[kW]
Estágio do
Projecto
1 RotandaLocalidade de Rotanda, Distrito de
Sussundega, Província de ManicaMutsenende 630 Em construção
2 ChiuraírueLocalidade de Chiuraírue, Distrito de
Mossurize, Provincia de ManicaChinhica 23.1 En construção
3 MuôhaLocalidade de Muôha, Distrito de
Sussundega, Província de ManicaMuôha 100 Em construção
4 SembezeiaLocalidade de Sembezeia, Distrito de
Sussundega, Provincia de ManicaBonde 62 Em operação
5 Majaua Zambézia Ruo 530 Em Reabilitação
6 MepondaLocalidade de Meponda, Distrito de
Lichinga, Provincia de NiassaLuângua 200
Estudo de
Viabilidade
7 MavondeLocalidade de Mavonde, Distrito de
Manica, Provincia de ManicaNhamucuarara 900
Projecto
Executivo
8 Berua Distrito de Milange, Provincia da Zambezia Ruo --Estudo de
Viabilidade
9 LuaíceDistrito de Chimbunila, Província de
NiassaLuaíce --
Estudo de
Viabilidade
10 Zize Distrito de Lagos, Província de Manica Tumba --Estudo de
Viabilidade
11 NintuloLocalidade de Nintulo, Distrito de Gúrue,
Província de ZambéziaLotiua 108
Projecto de
Execução
Tabela 12.3 Projectos de construção de aproveitamentos Hidroeléctricos
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A estimação de custos associados à instalação de CMH é uma tarefa
complexa, dependendo, entre outros factores, da potência instalada,
da altura da queda e da ligação à rede receptora. Os dados conhecidos
permitem situar o investimento total numa gama de variação entre
1150/kW e 3450 $/kW, sendo o limite inferior correspondente a
médias e altas quedas e potências superiores a 1000 kW e o limite
superior correspondente a baixas quedas e potências inferiores a 250
kW. O custo médio anual actualizado ($/kWh) é dado por:
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12.4 - CUSTOS ESTIMADOS
d p
a
i C CC
h
(12.1)
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Onde:
• i – inverso do factor presente da anuidade, dado por:
Sendo a a taxa de actualização e n o número de anos de vida útil da
instalação
• cp – custo de investimento por kW instalado ($/kW)
• ha – utilização anual da potência instalada (h)
• cd – custos diversos, onde se incluem, como parcela dominante, os
encargos de Operação e Manutenção em percentagem do
investimento total
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12.4 - CUSTOS ESTIMADOS
1
n
n
i a ai
i a
(12.2)
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As turbinas hidráulicas transformam em energia mecânica a energia
cinética possuída pela água à sua entrada na turbina e tornam-na
disponível num eixo, ao qual é ligado o rotor do gerador eléctrico –
normalmente um alternador. As turbinas são constituídas
essencialmente por duas partes : o distribuidor e o rotor . O primeiro
conduz a água ao rotor, segundo a direcção adequada a um melhor
rendimento, e este efectua a transformação em energia mecânica. As
turbinas hidráulicas são classificadas em :
- turbinas de acção ( PELTON );
- turbinas de reacção ( FRANCIS e KAPLAN ).
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12.5 - turbinas
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As turbinas de acção não funcionam imersas na água turbinada, mas
sim ao ar livre; a água encontra a roda móvel ( rotor ) através de
jactos, sendo a pressão de entrada e de saída iguais.
As turbinas de reacção trabalham no seio da água turbinada e podem
ser do tipo Francis ou Kaplan. A água penetra na roda móvel por toda
a periferia, fazendo a descarga paralelamente ao eixo de rotação.
Nas turbinas de reacção a pressão à saída é inferior à entrada. Estas
turbinas são normalmente utilizadas para médias e baixas quedas.
Os elementos comuns às turbinas a reacção são a câmara de entrada,
o distribuidor, a roda móvel ( rotor ) e o difusor.
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12.5 - turbinas
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Nas turbinas deste tipo, de que se representa um esquema na figura a
seguir, a distribuição é feita por um a quatro tubos injectores
eenominados tubeiras. As pás do rotor das turbinas Pelton têm a
forma de uma concha dupla, como se pode visualizar.
A velocidade de saída da água da turbina é muito pequena, o que
permite um rendimento muito elevado (até 93%). Estas turbinas são
normalmente utilizadas para altas quedas ( 250 a 2500 metros) e para
pequenos caudais ( entre 0.2 e 10 m3/s), sendo o número de rotações
baixo. A instalação da turbina é feita normalmente com o eixo
horizontal.
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12.5.1 – turbinas Pelton
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12.5.1 – turbinas Pelton
Figura 12. 2 Turbina Pelton
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A câmara de entrada é o recinto que orienta a água na direcção da
turbina. Pelo seu lado o distribuidor permite efectuar a regulação
da potência da turbina por regulação da inclinação das pás.
As turbinas Francis podem ser de eixo vertical ou horizontal e são
normalmente utilizadas para quedas entre 10 e 250 metros e para
caudais entre 10 e 50 m3/s. Apresentam, face às Pelton, um
rendimento máximo mais elevado, velocidades maiores, menores
dimensões e a possibilidade de serem utilizáveis em saltos
(desníveis de queda ) variáveis.
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12.5.2 – turbinas Francis
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12.5.2 – turbinas Francis
Figura 12. 3 Turbina Francis
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As turbinas Kaplan ou turbinas a hélice são utilizadas normalmente
para baixas quedas de água, inferiores a 50 metros, e para caudais até
350 m3/s.
Nestas turbinas, a roda móvel possui poucas pás, relativamente
estreitas e com a forma de hélices de barcos, e têm inclinação
regulável, o que permite bom rendimento.
Estas são, por vezes, montadas com o eixo horizontal e denominando-
se, nesses casos grupos bolbo. O alternador é directamente acoplado
á turbina, sendo o conjunto submerso. Estas turbinas são utilizadas
para quedas muito baixas ( de alguns metros).
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12.5.3 – turbinas Kaplan
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12.5.3 – turbinas Kaplan
Figura 12. 4 Turbina Kaplan
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ováveis 12.5.4 – características gerais
das turbinas
A Figura 12.6 dá as condições de utilização dos principais tipos de
turbina, em função da queda e do caudal. Da análise da Figura 12.6 é
claro que as turbinas do tipo Pelton são indicadas para quedas elevadas
e caudais reduzidos. As turbinas Turgo podem ser utilizadas para
quedas médias ou elevadas, mas menores do que as Pelton, podendo
ser utilizadas para caudais superiores aos da Pelton, mas ainda de
pequeno valor.
Por outro lado as turbinas Kaplan podem ser utilizadas numa gama de
caudais muito variável, desde caudais reduzidos até caudais muito
significativos, mas sem que se atinjam quedas elevadas.
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ováveis 12.5.4 – características gerais
das turbinas
As turbinas Francis encontram-se numa posição intermédia,
às Pelton e às Kaplan.
De notar que as turbinas Banki-Mitchell, ou de fluxo cruzado,
Crossflow, apesar de serem turbinas de acção, não são
utilizadas para CMH com quedas acima de 200 metros, mas
são utilizadas para quedas médias e baixas, e caudais
reduzidos, abaixo dos 9 m3/s.
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Figura 12.5 – Característica queda versus caudal para os diferentes
tipos de turbina
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ováveis 12.5.4 – características gerais
das turbinas
Na Figura 12.7 estão representadas as eficiências típicas para os
principais tipos de turbinas.
É observável que a maior eficiência das turbinas Francis é
verificada na gama entre os 70% e 90% de caudal, mas, fora
dessa gama a eficiência diminui rapidamente. As turbinas
Pelton apresentam eficiências elevadas desde os 30% até 100%
de caudal. As Kaplan apresentam uma eficiência intermédia às
Francis e Pelton, apresentando eficiências elevadas entre os 50%
e 90% de caudal.
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ováveis 12.5.4 – características gerais
das turbinas
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Figura 12.6 – Característica queda versus caudal para os diferentes
tipos de turbina
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Os alternadores poderão ser síncronos ou assíncronos de acordo com a
potência pretendida. Os mesmos poderão funcionar como motores,
nomeadamente para bombear a água. Os alternadores síncronos, como
máquinas de dupla excitação poderão ainda ter a função de fazer a
compensação do factor de potência.
O factor potência da energia fornecida por geradores assíncronos durante
as horas de cheias e de ponta não será inferior a 0.85 indutivo, devendo ser
instaladas as baterias de condensadores que forem necessárias.
Os geradores síncronos deverão manter um factor de potência entre 0.8
indutivo e 0.8 capacitivo perante variações na tensão da rede pública.
Durante as horas de vazio não é permitido o fornecimento de energia
reactiva à rede.30
12.6 – Alternadores
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A potência instalada, que determina a classificação da central hídrica,
resulta do dimensionamento. A potência instalada depende de dois
factores físicos, a altura de queda e o caudal e, assim o valor teórico
para esta potência expressa-se pela equação:
Onde:
P - E a potência teórica (W), que e superior a potência instalada, pois não
considera a eficiência nem as perdas de carga;
ρ - E a massa específica da água, aproximadamente, 103 (kg/m3);
g - E a aceleração da gravidade, com valor 9,81 (m/s2);
H- E a queda útil (m);
Q- E o caudal (m3/s);
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P gHQ (12.3)
12.7 Potência Instalada
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No entanto, os equipamentos utilizados não são perfeitos e devido às
perdas de cada equipamento e do processo de conversão de energia, a
potencia instalada não é expressa pela equação (12.3), mas antes pela
equação (12.4),
Onde:
P - E a potência teórica (W), que e superior a potência instalada, pois
não considera a eficiência nem as perdas de carga;
γ - É o peso volúmico da água (N/m3), e resulta de ;
η - É a eficiência global do sistema (%);
H- E a queda útil (m);
Q- E o caudal (m3/s);
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P HQ (12.4)
12.7 Potência Instalada
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12.7 Potência Instalada
A potência instalada e obtida a partir da equação (12.4), como já havia
sido anteriormente referido, e e utilizada a curva de caudais
classificados para auxiliar na determinação do valor do caudal
instalado.
O caudal instalado apresenta um valor que devera ser excedido entre
55 a 146 dias, dependo da curva de caudais classificados e da
experiencia do projectista. Como nesta fase a CMH ainda não esta
dimensionada, não se conhecem os valores exactos para a eficiência
global da CMH. Para considerar as perdas de carga dos equipamentos,
utiliza-se a equação (12.5) para estimar a potência instalada numa
CMH33
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12.7 Potência Instalada
onde:
Pinst – É a potência instalada (kW);
Hb - É a queda bruta do aproveitamento (m);
Qinst- É o caudal instalado (m3/s).
Com o valor estimado para a potência a instalar selecciona-se a opção
turbina/gerador com o valor mais próximo do estimado, de uma gama
de potências dos equipamentos que existem no mercado e que é
discreta. De novo utilizando a equação (2.3), determina-se o caudal
instalado correspondente à potência nominal da turbina seleccionada.
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7inst b instP H Q (12.5)
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ováveis 12.8 Energia Produzida
O dimensionamento de uma CMH é um processo iterativo que
compreende a análise de despesas e proveitos para várias
soluções de potência instalada.
Após a determinação da potência a instalar, a turbina é também
dimensionada. As características intrínsecas ao
dimensionamento, vão além da eficiência, contemplando
também limites de exploração, no que se refere ao caudal.
Sempre que se verificar um caudal fora destes limites a turbina é
desligada por insuficiência de rendimento.
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ováveis 12.8 Energia Produzida
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Turbina
Pelton 0,15 1,15
Francis 0,35 1,15
Kaplan com dupla
regulação 0,25 1,25
Kaplan com rotor
regulado 0,4 1,0
Hélice 0,75 1,0
Onde:
Qmin - E o caudal mínimo turbiná vel (m3/s);
Qmax - E o caudal máximo turbinável (m3/s);
α1 - E o factor para obtenção do caudal mínimo turbinável;
α2 - E o factor para obtenção do caudal máximo turbinável;
Tabela 12.2 Limites de exploração das turbinas
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12.8 Energia Produzida
A partir dos limites de exploração da turbina é possível
determinar os valores máximo e
mínimo de caudal que são utilizados pela turbina para
produção de energia. Através destes dois limites consegue-
se saber a quantidade de energia produzida. O primeiro
passo é traçar sobre a curva de caudais classificados estes
limites, bem como o caudal de cheia, caudal a partir do
qual a queda é muito baixa e não permite a produção de
energia.
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12.8 Energia Produzida
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Figura 12.7 – Curva de caudais classificados: marcação dos limites de
exploração
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ováveis 12.8 Energia Produzida
A partir do caudal de cheia, Qc, é definido o tempo t0,
valor até onde nunca se turbina a água. O tempo t1
corresponde ao limite máximo da turbina, impondo por
isso que desde t0 a t1 a turbina funcione no seu limite
máximo, apesar de haver mais água disponível.
O limite mínimo define t2 que é o último instante em que
se turbina água. De t1 a t2 a água turbinada depende da
água disponível.
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ováveis 12.8 Energia Produzida
Considerando a queda e a eficiência constante, a energia
produzida é proporcional ao polígono da área de
exploração da Figura 12.7, podendo ser estimada pela
equação (12.4):
Onde:
E - É a energia produzida num ano (kWh);
Qmax - É o caudal correspondente ao limite máximo da
turbina (m3/s);
40
2
1 0 max1
7 24t
tE H t t Q Q t dt (12.6)
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12.8 Energia Produzida
Determinando a energia produzida em cada ano, para vários
valores de potência instalada, o balanço de despesas e proveitos
ditará as soluções mais vantajosas, que serão estudadas mais
detalhadamente, para um correcto dimensionamento da CMH.
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ováveis 12.9 Dimensionamento
Detalhado
Realizado o dimensionamento considerando várias
simplificações, e seleccionadas as soluções com melhores
resultados, é necessário utilizar modelos mais detalhados,
nomeadamente no que diz respeito aos valores de
eficiência dos equipamentos utilizados e às perdas de
carga no circuito hidráulico. Assim a potência instalada
resulta da equação (12.7)
42
Pro
f. D
ou
tor
En
gen
heir
o J
org
e N
ham
biu
# E
nerg
ias
Ren
ováveis 12.9 Dimensionamento
Detalhado
Onde:
Hu - É a altura de queda útil (m);
Qinst - É o caudal instalado (m3/s), e assume os valores
seleccionados aquando do dimensionamento simplificado;
ηt - É a eficiência da turbina (%);
ηg - É a eficiência do gerador (%);
ηtf - É a eficiência do transformador (%);
ηel – É a eficiência eléctrica (%);
43
u inst t g tf elP gH Q (12.7)
Pro
f. D
ou
tor
En
gen
heir
o J
org
e N
ham
biu
# E
nerg
ias
Ren
ováveis 12.9 Dimensionamento
Detalhado
A energia produzida é determinada de um modo
equivalente ao anterior, sendo que agora se utiliza a
equação (12.8):
Mediante os resultados obtidos para as várias opções
consideradas, se dá por terminado o dimensionamento,
com a obtenção da solução com os melhores resultados.
44
2
1 0 max1
24t
u t g tf elt
E gH t t Q Q t dt (12.8)