Introdução
Conforme foi visto anteriormente, a geração de energia elétrica, a partir da energia hidráulica, ocupa pequeno espaço no mundo, mas representa a maior parcela no Brasil.
Portanto, não se pode deixar de estudá-la neste curso.
A geração hidrelétrica consiste em transformar a energia potencial da água, armazenada a uma determinada altura acima do nível do mar, em energia mecânica na turbina hidráulica.
Por sua vez, a energia mecânica obtida pela turbina, aciona um gerador de energia elétrica, que converte esta energia em eletricidade.
A Figura em anexo, obtida no site do ONS, apresenta o sistema de hidrelétricas em operação e em construção no país. As diversas bacias hidrográficas, os diversos tipos de hidrelétricas e as empresas concessionárias são mostradas.
Observa-se que que existem diversas usinas em série num mesmo rio e usinas em série em afluentes que se juntam para formar rios maiores.
Isto significa que as usinas hidrelétricas não são independentes conforme será visto adiante.
Os tipos básicos de usinas, representados na figura, são:
- Usinas a Fio d´Água;
- Usinas com Reservatórios;
- Usinas Reversíveis ou de Bombeamento.
Energia Hidrelétrica
A energia potencial da água - Ep, correspondente a queda – H – é dada por:
Onde:
- Ep – é a energia potencial [J = N.m];
- m - é a massa da água [kg];
- g – é a aceleração da gravidade [9,8 m/s2];
- H - é a queda [m].
O produto da massa pela aceleração da gravidade corresponde à força peso [N] da água armazenada.
Por sua vez, o produto desta força pela altura da queda representa o trabalho realizado pelo deslocamento desta massa de água e tem dimensões de energia.
Como, a massa da água é dada por:
Onde:
- ρ- é a densidade da água [1000 kg/m3];
- V – é o volume de água [m3];
Portanto, a energia potencial possível de ser retirada de um volume de água, caindo de uma determinada queda – H - é dada por:
Onde:
- γ é o peso específico da água.
Observa-se que a energia armazenada na água é proporcional ao volume armazenado - V - e a queda hidráulica H.
A potência associada a esta energia pode ser obtida da seguinte maneira:
Normalmente, como a variação da altura H é muito mais lenta do que a variação do volume, a derivada da queda pode ser considerada nula. Neste caso, a potência teórica máxima será dada por:
Onde:
- Q é o fluxo de água [m3/s];
- H á a queda [m];
- P é a potência [W].
Na prática, os valores de energia e potência elétricas extraídos da água são inferiores devido às perdas nos diversos equipamentos envolvidos no processo de conversão da energia potencial da água em energia elétrica, conforme a equação abaixo.
Onde:
- ηh é o rendimento do circuito hidráulico;
- ηt é o rendimento da turbina;
- ηg é o rendimento do gerador, transformador e serviços auxiliares.
Observa-se que a energia hidrelétrica é proporcional ao volume e à altura da queda e a potência elétrica é proporcional à altura e à vazão da água. Portanto, cada usina possui um fator, denominado de fator de produtibilidade, que multiplicado pela vazão determina sua potência.
O fator de produtibilidade não é uma constante e varia com a altura da água no reservatório. Por isso, ele é fornecido tendo como referência uma determinada altura ou volume de reservatório.
Conseqüentemente, é de fundamental importância conhecer os mecanismos de armazenamento da água acima do nível do mar e das vazões possíveis de serem obtidas. Para isso, conceitos básicos de hidrologia devem ser vistos.
Para compreender melhor essas perdas é necessário utilizar o conceito de queda hidráulica, obtido a partir da mec�nica dos flu�dos.
A queda hidráulica H é mais corretamente definida, de acordo com a Figura abaixo, como sendo:
onde o primeiro termo representa a energia associada à diferença de altura, o segundo representa a energia associada à diferença de pressão e o último termo representa a energia associada à diferença de velocidade.
