“Mini – Hídricas”

Aproveitamentos Hidroeléctricos

 1 - Introdução

2 - Definição

3 - Características gerais do aproveitamento

4 - Estimativa da energia produzida

5 - Classificação das centrais hidroeléctricas

6 - Bibliografia

1 - Introdução

O aproveitamento optimizado dos recursos energéticos é um vector necessário ao desenvolvimento e ao progresso económico. Os vários choques petrolíferos, com o resultante agravamento das condições de dependência do nosso país, devem ser lembrados no momento em que a conjuntura energética é de poupança, urge, assim, valorizar recursos.
Os aproveitamentos hidráulicos desempenham em Portugal uma função importante na produção de energia eléctrica utilizando recursos próprios e renováveis.
A figura do pequeno produtor de energia eléctrica tem sofrido alterações, motivadas sobretudo pelos choques petrolíferos que tiveram o mérito de evidenciar o carácter finito não só da fonte de energia como também a necessidade de diversificação.
Os pequenos aproveitamentos hidroeléctricos, vulgarmente designados por Mini-hídricas, representam apenas uma pequena percentagem do valor total da potência instalada. Este tipo de aproveitamento é promissor no contexto do sistema electro-produtor.
Além da produção de energia eléctrica os aproveitamentos hidroeléctricos podem ter outras finalidades, designadamente o armazenamento de água para abastecimento doméstico e industrial, ou para rega, o controle de cheias, o controle de intrusão salina em estuários, a navegação e o lazer.

2 - Definição  

3 - Características gerais do aproveitamento Mini-Hídrico

B - Órgãos anexos

Os órgãos anexos da barragem são os descarregadores de cheias, as descargas de fundo e de meio fundo e as tomadas de água.
Os descarregadores de cheia de superfície, que podem ser equipados ou não com comportas, têm por função assegurar a descarga das cheias afluentes à albufeira, sem galgar a barragem, com um determinado risco, durante o período de vida da obra.
As descargas de fundo são orifícios do corpo da barragem, que têm por função assegurar o completo esvaziamento da albufeira, por exemplo da reparação da barragem, auxiliar a descarga de cheias, e, por vezes, expulsar os sedimentos depositados no fundo da albufeira junto da barragem.
As tomadas de água têm por função captar a água da albufeira para rega, abastecimento de água e para produção de energia.

C - Circuito Hidráulico

Será constituído por uma tomada de água, uma conduta adutora, uma câmara e uma conduta forçada até
a central.  

O circuito hidráulico de um aproveitamento hidroeléctrico é constituído, tipicamente, por dois trechos:
    - a adução, normalmente com um pequeno declive, em canal aberto, em conduta ou túnel.
    - a conduta forçada, com grande declive, entre a cota de jusante da adução e a cota da central.
Para a protecção do circuito hidráulico contra as variações de pressão hidráulica motivadas pela entrada em funcionamento e pela paragem dos grupos turbina – alternador da central, são utilizados dispositivos hidráulicos, normalmente localizados entre a adução e a conduta forçada, designadamente chaminés de equilíbrio ou câmaras de carga.
 

D - Central Hidroeléctrica

A central é um edifício que abriga os grupos turbina – alternador, que produzem energia eléctrica da energia hidráulica, os quadros de comando e, por vezes, os transformadores.
A central pode localizar-se junto do pé da barragem, aproveitando o desnível criado pela própria, ou localizar-se a jusante, por vezes a vários quilómetros, aproveitando também o desnível do rio. No primeiro caso o circuito hidráulico é curto, sendo constituído apenas por uma conduta forçada ou por várias condutas forçadas em paralelo, por vezes integradas na própria estrutura da barragem. No segundo caso a adução pode ser bastante extensa, tendo um traçado praticamente de nível, ao longo de uma das encostas do vale a jusante da barragem.
O número, o tipo e as características da turbina que equipam as centrais são seleccionados em função da queda (diferença entre os níveis de água na albufeira e do eixo das turbinas) e do caudal.

D.1 – Turbinas

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 ).
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.

Turbinas Pelton

Nas turbinas deste tipo, de que se representa um esquema na figura a seguir, a distribuição é feita por um a quatro tubos injectores denominados 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.

Na figura seguinte representa-se uma turbina Pelton com dois injectores.

Turbinas Francis

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.
 

  Turbinas Kaplan

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).
 

Na figura seguinte apresentamos, sob a forma de um gráfico de coordenadas Hu (queda útil) e Q (caudal), as "manchas" de utilização das turbinas mais vulgares ( Pelton, Francis e Kaplan).
 

Certas centrais hidroeléctricas são equipadas com grupos reversíveis, isto é, podem bombear água de jusante da barragem, lançando–a na albufeira, nos períodos de menor consumo de electricidade. A água bombeada pode ser, assim, reutilizada na produção de energia, nos períodos de ponta, em que o valor de energia injectada na rede é maior.

D.2 - Alternadores

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.

D.3 - Linhas de transporte

As linhas de transporte de energia têm origem nos transformadores localizados junto da central, e transportam a energia, em alta tensão (15 KV a 400 KV, dependendo da potência instalada na central), até aos locais de utilização.
Os sistemas de produção estão equipados com protecções que asseguram a sua rápida desligação quando ocorram defeitos.

E - Restituição da água

A água depois de turbinada é recolhida num canal, sendo conduzida por meio deste ao rio, ou a outra bacia artificial, junto à qual se encontram outras tomadas de água de uma eventual central situada a jusante.

4 - Estimativa da energia produzida  

A - Potência a instalar teórica

Cálculo da energia potencial contida numa massa de água:     W_p = M _* g _* H_b

                      M : Massa de água

g : Aceleração da gravidade

H_b : Altura bruta da queda de água
 

A potência a instalar teórica é dada pela seguinte expressão:

P_t = d( Wp ) / dt = d( M _* g _* H_b ) / dt = g _* H_{b *} d ( r _* V ) = g _* H_{b *} r _* dV / dt

         Sendo:

P_t  -  Potência teórica

V  - Volume

r - Massa volúmica da água

dV /dt = Q  - Caudal

A potência útil difere deste valor pois a diferença de cotas de linha de energia a montante e a jusante do empreendimento é menor que a queda bruta, dado:

• a existência de perdas de energia associadas à existência do circuito hidráulico e da própria turbina;

• a existência do grupo com todos os seus componentes electromecânicos implicará a consideração do valor do seu rendimento, o qual sendo inferior à unidade, implica distanciar ainda mais o valor da potência útil da potência teórica.

Assim é possível concluir que a potência útil P_u é calculada por:

P_u = r _* g _* h _{t *} H_{u *} Q

h _t : Rendimento do grupo

H_u : Queda útil
 
 

B - Cálculo da queda útil

A queda útil é dada pela seguinte expressão:

H_u = H_t - D H

 Em que D H representa a perda de energia ao longo do circuito hidráulico, incluindo a turbina.
Admite-se como valor corrente de perda de energia 8%.

C - Cálculo da energia

Assim a energia será quantificada pelo integral da potência útil :

E = ò P_{u *} dt = ò r _* g _* h _{t *} H_{u *} Q _* dt

 O valor da potência depende dos caudais ocorridos e consequentemente, o valor da energia estará dependente do período de ocorrência desses mesmos caudais. Constata-se da expressão anterior que é necessário caracterizar não só a variabilidade de ocorrência dos caudais no que respeita à sua magnitude, mas também o intervalo de tempo em que os mesmos ocorrem.
O estudo da evolução dos valores dos caudais afluentes característicos deverá ser efectuado aquando do estudo de viabilidade técnico-económica.
   

5 - Classificação das centrais hidroeléctricas

As centrais hidroeléctricas podem classificar-se quanto a:
 

A - Queda aproveitada

Conforme a altura de queda útil, as centrais podem classificar de :

• alta queda : para h > 250m
• média queda : para 50 < h < 250m
• baixa queda : para h < 50m

B – Caudal

Consoante o caudal, assim poderemos classificá-las em centrais de:

• grande caudal : para Q > 100 m³/s
• médio caudal : para 10 < Q < 100 m³/s
• pequeno caudal : para Q < 10 m³/s

C - Tipo de aproveitamento

Quanto ao tipo de aproveitamento, as centrais hidroeléctricas podem classificar em :

• centrais de fio de água

• centrais de albufeira

As centrais de fio de água não têm possibilidade de efectuar grande armazenamento de água. Assim, se o volume excede os limites para os quais foi dimensionada, a água é esvaziada e turbinada, de modo a não haver desperdícios.
As centrais que possuem grande capacidade de armazenamento podem regular os fluxos de água, de modo a utiliza-los na época mais conveniente, tratam-se das centrais de albufeira. Com efeito, estas centrais armazenam o mais possível a água durante o Inverno, de modo a poderem fornecer energia nos períodos de menor pluviosidade. O objectivo principal desta medida consiste em manter a potência total útil em níveis suficientes para responder ás pontas dos diagramas de carga, aquando da solicitação do Centro de Despacho. Na verdade, uma central uma central com muito pouca água produz uma potência reduzida ou nula. Se houver muitas centrais nestas condições a potência total útil pode, em determinados períodos, ser insuficiente para responder às necessidades, o que obriga à importação de energia.
A classificação das centrais portuguesas é feita de acordo com a duração da esvaziamento das respectivas reservas de água, supostas inicialmente completas e admitindo que os caudais afluentes, durante o esvaziamento, são nulos e que a central trabalha constantemente a plena carga. Nesse definem-se como :

• Centrais de albufeira : aquelas cuja duração de esvaziamento é maior ou igual a 100 horas.

• Centrais de fio de água : aquelas cuja duração de esvaziamento é menor que 100 horas.

D - Serviço desempenhado

Quanto ao serviço desempenhado, as centrais podem ser classificadas em centrais de ponta e centrais de base.
Uma central diz-se de serviço de base quando funciona de modo contínuo, com carga praticamente constante. É o caso das centrais a fio de água, cujo funcionamento é permanente, para não desperdiçar água turbinável. Uma central diz-se em serviço de ponta quando funciona para cobrir as necessidades energéticas de certas pontas de consumo é o caso das centrais de albufeira, que apenas são chamadas a intervir nas pontas de consumo, durante algumas horas.
Note-se que teoricamente, qualquer central pode funcionar num ou noutro regime, com maiores ou menores vantagens económicas ou técnicas (pluviosidade, preço do carvão, etc).
As mini-hidrícas são centrais de baixa queda, pequeno caudal e de fio de água. O serviço desempenhado é de base tendo em conta que a produção é insignificante no contexto energético nacional, destinando-se a fornecer energia a pequenos aglomerados populacionais situados nas imediações das centrais. Este último aspecto evidencia o pequeno custo de investimento e as baixas perdas relativas à curta distância entre a geração e o consumo.

6 – Bibliografia

 
CEEETA (Centros de Estudos de Economia de Energia, Transportes e Ambiente) 1987. Projecto Mini-Hídrico. Lisboa: Secretaria de Estado do Ambiente e Recursos Naturais.

Estevan Bolea, M. T. 1984. Evaluación del Impacto Ambiental. Madrid: ITSEMAP, Mapfre.

Monition, L., M. Le e J. Roux 1984 – Mycro hydroelectric Power Stations, Chichester: Wiley.

HP (Hidrotécnica Portuguesa) 1980. Inventário de Energia Hídrica. Lisboa: Direcção Geral de Energia.

José V. Matias e Ludgero P. N. Leote. Produção, Transporte e Distribuição de Energia Eléctrica: Didáctica Editora.