Aproveitamento hidroenergético

no meio rural: micro, mini e

pequenas usinas

Estudos Hidrológicos

Prof.° Dr. José E. S. Paterniani

I.Estudos hidrológicos

1. Estudos a serem realizados no projeto de uma mini central hidroelétrica

• Regime fluviométrico do rio (vazão para cálculo da potência instalada)

• Vazão de desvio do rio (construção)

• Vazão de projeto das estruturas estravasoras (cheias)

• Relação cota-descarga a jusante da central

2. Coleta e análise de dados. – DNAEE,

INEMET, etc.

• Mapas diversos (cartográficos, rodoviários, ferroviários,

etc.)

• Perfis do rio (longitudinais e transversais)

• Dados topográficos, geológicos, e geotécnicos

• Dados hidrométricos (pluviom.,fluviom.,

climat.)

• Sistema energético existente

3. Fisiologia da bacia e regime

fluviométrico

• Área de drenagem (através de mapa ou

outro artifício deverá ser traçada a linha

de divisão de águas da bacia).

• Declividade média do rio

4. Estimativa de série de vazões

• Através de dados fluviométricos em postos do

mesmo rio:

p

upu

A

AQQ

• Onde: Qu = Vazão no local da central

Qp = vazão no posto do mesmo rio, do qual se dispõe

dados

Au = área de drenagem, da cabeceira até a central

Ap = área de drenagem da bacia

• Através de dados de outras bacias:

mj

mj

mumu QQ

AA

AAQQ

• Onde: Qu = Vazão no local da central

Qm = vazão do posto de montante

Qj = Vazão no posto de jusante

Au = área de drenagem do local central

Am = área de drenagem do posto de montante

Aj = área de drenagem do posto de jusante

• Situação em que não se dispõe de dados:

metodologia para regionalização de vazões –

Eletrobrás, 1985.

• Caso mais crítico: não se dispõe de dados da

região: avaliação expedita da curva chave

3

2

2

1

3

5

QP

SAn

Onde: n = fator de rugosidade de Manning

A = área da seção transversal de medição

P = Perímetro da seção transversal

S = declividade do nível d’água na seção

Q = descarga líquida

Conhecendo-se n e os dados geométricos para

diversos níveis, são calculadas as vazões

correspondentes

3

2

2

1

3

5

nP

SAQ

5. Vazão de projetos das turbinas

• Pode ser considerada como vazão de dimensionamento a vazão com 95% de permanência, isto é, a vazão que ocorre durante 95% do tempo.

• Para centrais a fio d’água. (vazão do rio é maior que a vazão de projeto)

min95 QCQQ q

Onde: Q = descarga de projeto (vazão p/ determinação

da potência a ser instalada)

Q95 = vazão do curso d’água com 95% de ocorrência

Cq = coeficiente da relação Q95/Qmin

Qmin = vazão mínima estimada

Valores de Cq vão de 1,00 a 1,40. Deve-se adotar Cq=1,0 quando

não se dispõe de dados. OU seja, projeta-se com Qmin.

6. Vazão de projeto das estruturas

extravasoras e de desvio

• Com dados fluviométricos do local: análise

estatística.

Mínimo de 10 vazões máximas anuais.

Aplicar método estatistico, p. ex.:Hazen.

y

nf

y

2

12100

Onde: f = posição de plotagem da frequência de cada

evento em %

ny = número de ordem do evento

y = número de eventos da amostra ou série

• A vazão de cheia pode ser, então, determinada

para diferentes tempos de recorrência. Os

riscos para cada situação podem ser também

obtidos pela equação:

dn

Tr

111

Onde: r = probabilidade ou risco de ocorrência

T = tempo de recorrência em anos

nd = tempo de duração da obra em anos

Recomendações:

Cheia de desvio de rio durante a construção

Tempo de

recorrência

em T anos

Duração

da obra nd

em anos

Risco r

(%)

Caso

10 1 10 Geral

10 2 19 Geral

25 1 4 Perigo de danos sérios a

Jusante

25 2 7,8 Perigo de danos sérios a

Jusante

Cheia de projeto das estruturas estravasoras

Tempo de

recorrência

em T anos

Vida útil da

central nd em

anos

Risco r

(%)

Caso

500 20 3,9 Geral

500 50 9,5 Geral

1.000 20 2,0 Perigo sério de danos materiais a

jusante

1.000 50 4,9 Perigo sério de danos materiais a

jusante

10.000 20 0,2 Perigo sério de danos humanos a

jusante

10.000 50 0,5 Perigo sério de danos humanos a

jusante

10.000 100 1,0 Perigo sério de danos humanos a

jusante

• Sem dados fluviométricos da região: método

racional

ddc IACQ 278,0

Onde: Qc = descarga de cheia, m³/s

Cd = coeficiente de deflúvio superficial

I = intensidade de chuva do projeto, mm/h (através de

registros de chuvas de cidades próximas)

Ad = área de drenagem, Km²

Valores de Cd

Tipo de solo Cobertura da bacia

Cultivado Pastagem Mata

Com alta taxa de infiltração:

geralmente arenoso ou

encascalhado

0,20 0,15 0,10

Com média taxa de infiltração:

arenoso-argiloso

0,40 0,35 0,30

Cor baixa taxa de infiltração:

pesadamente argiloso

0,50 0,45 0,40

7. Hidrometria

• Instalar réguas linimétricas para

obtenção dos níveis de água

• Realizar séries de medições de vazão

para associação com os níveis: curva de

calibragem

7.1 Implantação de posto fluviométrico

• Referência de nível: réguas instaladas para fornecer dados durante vários anos. Locais de fácil acesso e seguro.

• Escalas linimétricas: o “zero” deve estar abaixo do nível mínimo. 1 metro acima do nível máximo. Instaladas em locais de águas tranqüilas.

• Levantamento da seção transversal: mediads de profundidade em vários pontos da largura do rio. Repetição.

7.2 Medição de descarga líquida

• Medição com flutuador: comprimento mínimo 10 metros.

t

LAQv

8,0

Onde: Qv = descarga, m³/s

L = comprimento, m

A = média da área das seções transversais ao longo do trecho, m²

t = tempo de percurso do flutuador, s

0,8 = coeficiente de correção da velocidade

• Medição com vertedor

Vertedor retangular: medir a altura a uma distância 6hmax a montante. Largura do vertedor deve ter metade a dois terços da largura do rio.

23

84,1 bhQv

Onde: Qv = descarga, m³/s

b = largura do vertedor, m

h = altura do nível d’água sobre a crista do vertedor, m

Vazão de vertedouros retangulares sem contração lateral – em m³/s

fórmula de Francis

Qv = 1,84bh3/2

h (m) Qv (m³/s) h (m) Q

v (m³/s) h (m) Q

v (m³/s)

0,0100 0,00184 0,0350 0,01205 0,2000 0,16457

0,0110 0,00212 0,0375 0,01336 0,2250 0,19638

0,0120 0,00242 0,0400 0,01472 0,2500 0,23000

0,0130 0,00273 0,0450 0,01756 0,2750 0,26535

0,0140 0,00305 0,0500 0,02057 0,3000 0,30234

0,0150 0,00338 0,0550 0,02373 0,3500 0,38100

0,0160 0,00372 0,0600 0,02704 0,4000 0,46549

0,0170 0,00408 0,0650 0,03049 0,4500 0,55544

0,0180 0,00444 0,0700 0,03408 0,5000 0,65054

0,0190 0,00482 0,0750 0,3779 0,5500 0,75052

0,0200 0,00520 0,0800 0,04163 0,6000 0,85515

0,0220 0,00600 0,0850 0,04560 0,6500 0,96425

0,0240 0,00684 0,0900 0,04968 0,7000 1,07762

0,0260 0,00771 0,1000 0,05819 0,7500 1,19512

0,0280 0,00862 0,1250 0,08132 0,8000 1,31660

0,0300 0,00956 0,1500 0,10689 0,8500 1,44194

0,0325 0,01078 0,1750 0,13470 0,9000 1,57102

8. Recomendações

• Levantamento de todos os dados hidrológicos

• Casa das máquinas: contas adequadas para evitar inundações em épocas de cheias

• Conhecer o regime de transporte de sedimento no rio. Estimar a evolução do assoreamento e medidas para minimizar os efeitos.

• Qualidade da água: físico-químicas e bacteriológicas. Padrões de qualidade

• Usos múltiplos: energia, abastecimento, irrigação, piscicultura.

Estudo sócio econômico e

avaliação de impacto ambiental

1. Estudo sócio econômico:

• Construção da barragem:

– Benefício

– Conflito

– Aproveitamento

Níveis:

• Centrais aplicadas a um mercado não atendido previamente

• Centrais destinadas a substituição de outra fonte geradora

• Centrais para atendimento a instalações isoladas (fazendas, insdústrias, etc.)

• Centrais para atendimento a núcleos urbanos (*)

Levantamentos:

1.1 População:

• Número;

• Crescimento;

• Distribuição.

1.2 Condições sociais:

• Escolaridade (níveis e nº de escolas;

• Médicas e de saúde;

• Ocorrência de enfermidades.

1.3 Condições econômicas:

• Principais atividades (quantificação por setores – agrícola, comércio, mineração, industria, etc.);

• Distribuição da população por área e por setor;

• Níveis de rendimento – faixas de rendimento familiar.

1.4 Condições de infraestrutura e equipamentos:

• Rede viária existente;

• Condições gerais de tráfego;

• Outros meios de transporte;

• Redes de saneamento básico;

• Iluminação pública.

2.Avaliação de impacto ambiental

• Proteção do ecossistema.

• Proteção da saúde da comunidade (usuários).

2.1 Relatos:

• Caracterização das áreas da obra;

• Caracterização das “áreas de empréstimo”;

• Observação do uso do solo: erosão, defensivos agrícolas,

transporte de sedimentos pelo rio

• Verificar endemias: podem se agravar;

• Definir limpeza de desmatamento da área inundada: manter a qualidade água.

2.2 Estudos: possibilidade de usos múltiplos

• Abastecimento de água;

• Agricultura de vazante;

• Agricultura irrigada;

• Pesca em geral;

• Piscicultura intensiva.

III. Estudo de mercado

Avaliar as necessidades dos suprimentos de energia

elétrica gerada pelas centrais hidrelétricas e suas prováveis evoluções no tempo.

Três variáveis:

• Demanda mínima: menos demanda verificada num intervalo de tempo. Verificação de restrições das turbinas por problemas de cavitação.

• Demanda máxima: maior demanda num intervalo de tempo. Importante para estabelecer a potência instalada que deve atender a demanda máxima.

• Consumo de energia: define a energia garantida na central.

Fator de demanda (FD):

relação entre a demanda máxima e a carga

instalada. Mede a reserva da central.

N

DFD

max

Onde: N = carga instalada

Fator de carga (FC):

relação entre carga média e carga máxima num

intervalo de tempo. Mede o grau de variação da

carga. Fator de carga baixo pode representar

inviabilidade do investimento.

maxD

DF méd

C

Composição do mercado

:

• Uso residencial: maiores solicitações em determinadas horas do dia;

• Uso industrial: consumo bem distribuído;

• Agrícola: dependente da safra e de épocas de maior irrigação.

Curva de carga: anual, semanal, diária.

a) Mercado não atendido: não há dados sobre o comportamento do consumo. Estimativa.

b) Mercado já atendido: possui séries históricas o que permite conhecer o comportamento do consumo.

1. Consumo residencial O consumo residencial pode ser estimado por residência ou por

habitante. Como os números de habitantes locais são geralmente sempre conhecidos, apresenta-se a metodologia para a avaliação do consumo por habitante.

Características do local:

• Pequena cidade do interior do país, onde não há suprimento de energia elétrica por concessionária;

• Habitantes com pequena renda individual;

• Famílias constituídas (em média) por: um casal, 4 filhos e 1

parente ou empregada ( 7 pessoas);

• Residência com 1 sala, 3 quartos, 1 cozinha, 1 banheiro e 1

varanda;

• Capacidades dos aparelhos eletrodomésticos conforme os dados

colhidos na publicação mencionada acima.

CONSUMO DE LUZ

• Lâmpadas de teto – 7 lâmpadas x 60 W = 420 W

• Lâmpadas de mesa – 2 lâmpadas x 100 W = 200 W

• Total: 620 W

• Período de iluminação – 18 às 24 h

• Tempo de iluminação – 6 h

• Fator de utilização – 50%

• Consumo diário 50% de 620 W x 6 h = 1860 Wh/dia

• 1,9 Wh/dia

Consumo de Aparelhos Eletro

domésticos Aparelhos Quant. Capac.

(W)

Período de

consumo

Tempo de

consumo

Consumo

diário

(Wh/dia)

Máq. De costura 1 90 20 às 23 h 3 270

Ferro de engomar 1 500 14 às 16 h 2 1000

Ventilador 1 60 15 às 23 h 8 480

Televisão 1 200 17 às 23 h 6 1200

Rádio 1 50 6 às 18

horas

12 600

Geladeira 1 125 Intermitente 6 750

Total: 4300

Consumo por Habitante

• Consumo de luz – .......................................1860 Wh/dia

• Consumo de aparelhos eletrodomésticos – 4300 Wh/dia

• Total: ............................................................6160 Wh/dia

• Consumo diário por residência (consumidor) - 6,16 kWh/dia

• Consumo diário/habitante (7 moradores)-........0,88 kWh/dia

• Demanda horária p/ habitante- ....................... 0,037 kW

• Ou aproximadamente-...................................... 40W

2. Iluminação Pública

Para a iluminação pública de uma cidade do interior,

pode-se empregar lâmpada de 125 W para os pontos

de luz e um período diário de funcionamento das 18

h às 6 h, isto é, durante 12 horas.

3. Consumo industrial

Para este tipo de consumo pode-se estimar um período

diário de funcionamento dos equipamentos elétricos

entre 7 h e 11 h e entre 12 h e 16 h, isto é, dentro do

horário normal de 8 horas de trabalho.

4. Consumo em atividades agropecuárias, comércio e outros serviços comunitários.

Para esses consumos recomenda-se utilizar os dados de outros trabalhos realizados. Levantamento junto aos órgãos competentes.

5. Determinação da curva de carga diária típica

A determinação da curva de carga diária típica é feita

conforme tabela e gráfico, cujos valores referem-se a um consumo unitário residencial igual ao do exemplo e a uma cidade com 4620 habitantes, 300 pontos de luz de iluminação pública, sem atividades industriais ou agropecuárias.

Consumo residencial

Consumo diário total – 4620 hab x 0,88 kWh/dia = 4065,6 kWh/dia

Número de residências ou “consumidores”

4062,5 kWh/dia : 6,16 kWh/dia = 660

Desta forma, os valores unitários para o consumo de luz e aparelhos eletrodomésticos, dados como exemplo, devem ser multiplicados por 660 e relacionados na tabelas de composição de curva de carga diária típica.

• Iluminação Pública

Consumo de luz = 300 lâmpadas hora x 125 W = 37500 Wh = 37,5 kWh

• Consumo industrial e agropecuário

Conforme a hipótese inicial esses consumos são desprezíveis.

• Cálculo do Fator de Carga

• Demanda horária média

• Demanda máxima ocorrida às 20h

• Fator de carga

Parâmetro indispensável para a determinação da capacidade instalada do sistema de geração que vai suprir a carga do sistema consumidor.

hkWh/15,18824

6,4515

hkWh/6,514

%56,36__3656,06,514

15,188ou