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Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Aula energias renováveis
Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Driving the hydropower
Hidrelétrica
• Vento
• Maré
• Queda na temperatura da água
• Diferença na radiação Solar
• Diferenças na salinidade
Condensação
Precipitação sobre o mar
Condensação
transporte de água na atmosfera
Precipitação sobre o solo
Evaporação do mar
Evaporação do solo
Vazão de agua pluvial no mar por rios
Vazão de agua pluvial no mar por lençol freático
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Desenvolvimento da Usina Hidrelétrica
Sub axial Aprox. 200 a.C.Função: operação de direta de moinhosPrincipalmente energia cinética (velocidade da água)
Roda d'água submersaImpério RomanoFunção: operação de direta de moinhos
Roda d'água suspensaIntensificação de uso a partir da idade médiaFunção: variável, de moinhos de farinha a teares.Principalmente energia potencial (carregamento vertical da água)
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Roda d'água submersa
Getreidemühle Gut Holm, Buchholz-Holm
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Roda d'água suspensa
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Potencial Hidráulico Brasileiro
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Localização das Usinas Hidrelétricas Brasileiras
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Aula energias renováveis
Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Usina de água corrente
- Baixa queda d'água- Represamento/barragem de pequeno porte- Necessidade de grande quantidade d'água- A corrente do rio (montante - jusante) é responsável em movimentar o fluxo d'água que passa pela turbina- A turbina movimenta o rotor do gerador� Energia Elétrica
Vantagens:Baixo custo de manutenção e possiblidade de operação contínua
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Usina de água corrente – Princípio de funcionamento
Turbina Kaplan Vertical
Nível mais alto da água
H = ha - hb
ha
hb
Potencial aproveitável (máx.): PW = ρW ·g ·Q ·H
Potencial elétrico: Pel = (1-fz) · ηGerador · ηTurbina · ρW ·g ·Q ·Hfz … 3% até 10%
Eficiência: ηNenn = Pel , Nenn / (ρW ·g ·Q ·H)
Vazão Q [m³/s]
Nível mais baixo da água
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Esquema - Usina de água corrente
Usina de água corrente
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Usina de água correntee
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Usina de água corrente
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Usina de água corrente
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Usina de água corrente
Turbinas
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Usina hidrelétrica reversível – armazenamento natural e bombeamento
- Lago artificial ou natural- Grande diferença de altura- A água é direcionado para as turbinas
através de tubos- Armazenamento de energia para uso durante os picos de demanda
- Uso de bombas- Aumento de armazenamento com barragens
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Usina hidrelétrica reversível – armazenamento natural
Armazenamento: de acordo com o regime dos rios/lagos, precipitação e derretimento de neve em países de clima frio.
Represamento da água: troca de energia potencial para cinética.
Características típicas (há possibilidade de variação):� Barragens de grande altura� Equipamentos de média e alta pressão (quedas de até 2000m)� Turbina tipo Francis, a partir de 350 m de queda turbina tipo Pelton.� Potência média e alta� Usina indicada para cobrir horários de picos de energia, mas com grandes reservatórios
pode ocorrer o fornecimento regular.� Aplicação variada: controle de segurança para transito de navios, proteção contra
enchentes.� Fornecimento de água potável, sistemas de irrigação agrícola, lagos para lazer.
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Usina hidrelétrica reversível – armazenamento natural
Exemplo: Usina de Walchensee – Bavária / Alemanha
• Queda de 200 m entre os lagos Walchen e Kochel• Capacidade Instalada de 124 MW• 4 x turbinas tipo Francis (trifásico) e 4x turbinas
tipo Pelton (monofásico para locomotivas elétricas).
• Geração anual de 320 milhões de kWh (coeficiente de uso: 30%)
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Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento
Características:� Armazenamento de eletricidade com
eficiência de 75%� Potência total em 60-100 segundos� Equipamentos de alta pressão, quedas
maiores que 100 m� Turbina Francis, opera inversamente para
auxiliar bombeamento� Media e alta potência� Cobre picos de demanda de energia ou
usina de reserva
Exemplo: Usina hidrelétrica reversível de bombeamento Herdecke� Queda de 165 m entre o reservatório de
armazenamento e o lago Hengstey� Capacidade inssalada de 150 MW� 1x turbina Francis (Instalação antiga,
turbina e bomba operam separadas)
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Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento
Quantidade de energia armazenada:
E = V · ρW ·g ·hPotencial · η Tubos, Turbinas, Geradores
Potencial aproveitável:
P = V · ρW ·g ·hPotencial · η Tubos, Turbinas, Geradores
.
Reservatório superior
Reservatório inferior
Gerador
Turbina
Reservatório
Dependendo da altura é utilizada a turbina Francis ou Pelton
Princípio de Funcionamento
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Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento
Usina de Goldisthal /Alemanha (1060 MW)
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Usina hidrelétrica reversível – armazenamento por bombeamento
Eficiência do processo
Perdas (%)
Tubulação 1,0
Turbina 7,5
Gerador 1,8
Transformador 0,5
Perdas (%)
0,5 Tubulação
10,0 Bomba
3,0 Motor
0,5 Transformador
77%
Energia Recuperada
100%
Energia Fornecida
Fonte: LTT (Raabe 1989)
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Parte 2
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Usinas Oceânicas
Usinas Maremotriz• Uso da amplitude das marés em formações costeiras especiais
(20 m com represamento e 1 m em mar aberto)• Potencial teórico mundial de até 300 TWh/a
Usinas oceânicas térmicas• Uso do gradiente de temperatura entre a superfície da água e
as águas mais profundidades (20 K entre a superfície quente e a superfície mais fria a 100 m de profundidade)
• Projetos piloto no Japão (100 kW) e EUA (1.000 kW) com eficiência de 1 - 3%
Usinas oceânicas elétricas• Uso de energia cinética da corrente do mar• Protótipo na costa de Cornwalls com 350 kW• Potência instalada na Europa de 12 GW
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Usina Ondomotriz
• Choque das ondas contra a estrutura de concreto
• Câmera se enche de água � O ar é comprimido para cima
• Com o recua da onda a diferença de pressão é novamente utilizada
Turbina Eólica Gerador
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Usina Ondomotriz
AR
ÁGUA ÁGUA
AR
Projeto de Islay
- Uso da energia potencial e cinética das ondas.
- Grande variedade de projetos, mais de 300 patentes no mundo.
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Usina Ondomotriz
- Uso da energia potencial e cinética das ondas.
- Grande variedade de projetos, mais de 300 patentes no mundo.
Instalações pequenas: economicamente viável para consumidores distantes dos grandes centros (plataformas, ilhas e etc.).
Instalações médias e grandes (poucos protótipos):- Ilha Islay/Escócia: média de 35 kW, em tempestades 75 kW.- Bergen/Noruega 350-500 kW (problemas técnicos frequentes).
Problemas frequentes:- Ausência de técnicas construtivas para instalações de grande porte.- Corrosão.- Proliferação de algas.
Potencial mundial estimado: - Total 30.000 TWh/a (Behrens/Miller)- Potencial médio de 14 kW/m (Meliss)
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Princípio da Usina Ondomotriz
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Princípio da Usina Maremotriz
- Fecha-se o fluxo de água quando o nível do mar e da baía se equiparam
- O fluxo de água é liberado quando a diferença de altura entre os níveis da água for suficiente para operar a turbina de modo eficiente.
Maré Baixa
Baía Mar
Baía Mar
Maré Alta
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Usina Maremotriz Severn Barrage – Sul da Inglatera (projeto)
• 16 km de barragens• 216 Turbinas• 8500 MW de potência• 5% do consumo britânico de eletricidade• Amplitude das marés de até 15 m• Aprox.19 Bilhões €• Impacto ambiental imprevisível
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Usina Maremotriz – Rio Rance / Saint-Malo (França).
St. Malo, Bretagne
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Energia de Correntes Marinhas
Locais com potencial (UK)
Lynmouth, Devon (UK)300 kW
Parâmetros para instalação:
• Velocidade média mínima de 2,5 m/s
• Profundidade entre 20-30 m
• Diâmetro 15-20 m
• Rotor 10-20 RPM (10x mais lenta que um navio)
• Impacto ambiental de pequena escala
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Energia de Correntes Marinhas
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Energia de Correntes Marinhas - Manutenção
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Energia de Correntes Marinhas
Exemplo norte-americanoEast River, New York (EUA)
UN
Queensboro BridgeQueens
16kW
3m de diâmetro
Manhattan
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Aula energias renováveis
Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte
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Hidrelétrica – Convertendo Energias
Turbina Pelton(Turbina tangencial)
Turbina Francis(Turbina radial)
Turbina Kaplan(Turbina axial)
Turbina de Fluxo Cruzado(BR:Michel-Bianki)
Sub axial Submersa Parcialmente Submersa
Suspensa
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Principais Tipos de Turbina
Francis Pelton Kaplan
Entrada de água
Saída de água
RotorCarcaça
InjetorEntrada de água Saída de água
RotorCarcaça Eixo da turbina
Entrada de água
Saída de água
Entrada de águaPás do rotor axial
Cubo do rotor
Difusor com pás ajustáveis
Difusor com pás ajustáveis
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Turbina Kaplan
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Exemplo de Instalação – Turbina Francis
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Fabricação da Turbina Francis
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Turbina Francis em corte com pás ajustáveis (amarelo)
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Conjunto Turbina Gerador em Corte
GERADOR
Estator
Rotor Eixo
TURBINA
Entrada de águaPalhetas
diretrizes
Pás Reguláveis
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Turbina Pelton com Injetores
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Turbina Pelton
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Aula energias renováveis
Hidrelétrica- Desenvolvimento e uso- As usinas hidrelétricas- Turbinas- Sistemas de grande porte
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
• Período de construção: 1993 - 2013• Nível máximo da água: 180,40 m• Nível normal: 175 m• Capacidade da barragem: 22,1 bilhões m³• Área inundada: 1.085 km² • Capacidade Instalada: 18,2 GW • Número de turbinas: 26• Tipo de Turbina: Francis• Cidades inundadas: 13• Fábricas inundadas: 657• População deslocada: aprox. 1,3 - 2 Milhões
Hidrelétrica de Três Gargantas na China – Dados Técnicos
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Hidrelétrica de Três Gargantas na China
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Hidrelétrica de Três Gargantas na China
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Hidrelétrica de Três Gargantas na China - Construção
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Hidrelétrica de Três Gargantas na China - Maquete
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Hidrelétrica de Três Gargantas na China – Corte Esquemático
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
• Construção: 1975 bis 1982• Altura da Barragem: 196 m• Nível máximo da água: 190 m• Nível normal: 100 m• Capacidade de armazenamento de água: 29.000.000 m³• Área alagada: mínima 1.305 km²; normal 1.350 km²; máxima 1.460 km² • Comprimento: 170 km• Capacidade Instalada: 12.600 MW (até 2004); 14.000 MW (desde 2005)• Turbine: Francis• População deslocada: 40.000
Usina de Itaipu – Dados Técnicos
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Fontes renováveis de energia - Hidrelétrica
Usina de Itaipu