A energia hidrelétrica consiste na conversão da energia da água de rios naturais em eletricidade para uso humano. Existem diversas fontes de energia utilizadas na geração de eletricidade, como a energia solar, a energia hídrica em rios e a energia eólica gerada pelo fluxo do ar. O custo da geração de energia hidrelétrica é baixo, e a construção de usinas hidrelétricas pode ser combinada com outros projetos de conservação de água. Nosso país é muito rico em recursos hídricos e as condições são muito favoráveis. A energia hidrelétrica desempenha um papel importante na construção da economia nacional.
O nível da água a montante de um rio é mais alto do que o nível da água a jusante. Devido a essa diferença de nível, a energia hídrica é gerada. Essa energia é chamada de energia potencial. A diferença entre a altura da água do rio e o nível da água é chamada de queda d'água, também conhecida como diferença de nível da água ou altura da queda. Essa queda d'água é uma condição fundamental para a geração de energia hidráulica. Além disso, a magnitude da energia hidráulica também depende da magnitude da vazão do rio, que é outra condição fundamental tão importante quanto a queda d'água. Tanto a queda d'água quanto a vazão afetam diretamente a energia hidráulica; quanto maior a queda d'água, maior a energia hidráulica; se a queda d'água e a vazão forem relativamente pequenas, a produção da usina hidrelétrica será menor.
A queda d'água é geralmente expressa em metros. O gradiente é a razão entre a queda e a distância, podendo indicar o grau de concentração da queda. Quanto mais concentrada a queda, mais conveniente é o aproveitamento da energia hidráulica. A queda utilizada por uma usina hidrelétrica é a diferença entre a superfície da água a montante da usina e a superfície da água a jusante, após a passagem pela turbina.
A vazão é a quantidade de água que flui em um rio por unidade de tempo, expressa em metros cúbicos por segundo. Um metro cúbico de água equivale a uma tonelada. A vazão de um rio varia constantemente, portanto, ao falarmos sobre vazão, devemos considerar o momento e o local específico em que ela ocorre. A vazão varia significativamente ao longo do tempo. Os rios em nosso país geralmente apresentam grande vazão durante a estação chuvosa, no verão e outono, e vazão relativamente menor no inverno e primavera. De modo geral, a vazão do rio é relativamente pequena na parte superior; devido à confluência dos afluentes, a vazão aumenta gradualmente na parte inferior. Portanto, embora a queda d'água na parte superior seja concentrada, a vazão é pequena; na parte inferior, a vazão é grande, mas a queda d'água é relativamente dispersa. Assim, muitas vezes é mais econômico utilizar energia hidrelétrica no trecho médio do rio.
Conhecendo a queda d'água e a vazão utilizadas por uma usina hidrelétrica, sua potência de saída pode ser calculada utilizando a seguinte fórmula:
N= GQH
Na fórmula, N – saída, em quilowatts, também pode ser chamada de potência;
Q – vazão, em metros cúbicos por segundo;
H – queda, em metros;
G = 9,8 m/s² é a aceleração da gravidade, em Newton/kg.
De acordo com a fórmula acima, a potência teórica é calculada sem deduzir quaisquer perdas. Na realidade, no processo de geração de energia hidrelétrica, turbinas, equipamentos de transmissão, geradores, etc., todos apresentam perdas de potência inevitáveis. Portanto, a potência teórica deve ser descontada, ou seja, a potência real que podemos utilizar deve ser multiplicada pelo coeficiente de eficiência (símbolo: K).
A potência projetada do gerador em uma usina hidrelétrica é chamada de potência nominal, e a potência real é chamada de potência efetiva. No processo de transformação de energia, é inevitável a perda de parte da energia. No processo de geração de energia hidrelétrica, as principais perdas ocorrem nas turbinas e geradores (também há perdas nas tubulações). As diversas perdas em uma microcentral hidrelétrica rural representam cerca de 40-50% da potência teórica total, portanto, a potência de saída da usina hidrelétrica pode utilizar efetivamente apenas 50-60% da potência teórica, ou seja, a eficiência é de cerca de 0,5-0,60 (sendo a eficiência da turbina de 0,70-0,85, a eficiência dos geradores de 0,85 a 0,90 e a eficiência das tubulações e equipamentos de transmissão de 0,80 a 0,85). Portanto, a potência efetiva (saída) da usina hidrelétrica pode ser calculada da seguinte forma:
K – a eficiência da usina hidrelétrica, (0,5 a 0,6) é usada no cálculo aproximado da microcentral hidrelétrica; esse valor pode ser simplificado como:
N=(0,5～0,6)QHG Potência real=eficiência×vazão×queda×9,8
A energia hidrelétrica é utilizada para acionar uma máquina, chamada turbina hidráulica. Por exemplo, a antiga roda d'água do nosso país é uma turbina hidráulica bastante simples. As diversas turbinas hidráulicas atualmente utilizadas são adaptadas a diferentes condições hidráulicas específicas, de modo que possam girar com maior eficiência e converter a energia da água em energia mecânica. Outro tipo de máquina, o gerador, é conectado à turbina, fazendo com que o rotor do gerador gire juntamente com a turbina para gerar eletricidade. O gerador pode ser dividido em duas partes: a parte que gira com a turbina e a parte fixa. A parte conectada à turbina e que gira é chamada de rotor do gerador e possui vários polos magnéticos ao seu redor; a parte fixa do gerador, chamada de estator, é um anel ao redor do rotor e é envolto por várias bobinas de cobre. Quando os polos magnéticos do rotor giram no centro das bobinas de cobre do estator, uma corrente elétrica é gerada nos fios de cobre, e o gerador converte a energia mecânica em energia elétrica.
A energia elétrica gerada pela central elétrica é transformada em energia mecânica (motor elétrico ou motor a combustão), energia luminosa (lâmpada elétrica), energia térmica (forno elétrico) e assim por diante por diversos equipamentos elétricos.
a composição da usina hidrelétrica
A composição de uma central hidroelétrica inclui: estruturas hidráulicas, equipamentos mecânicos e equipamentos elétricos.
(1) Estruturas hidráulicas
Possui barragens, comportas de entrada, canais (ou túneis), tanques de pressão (ou tanques de regulagem), tubulações de pressão, casas de força e canais de descarga, etc.
Uma barragem é construída em um rio para represar a água e elevar o nível da água, formando um reservatório. Dessa forma, cria-se um declive acentuado entre o nível da água no reservatório da barragem e o nível da água do rio abaixo da barragem. A água é então conduzida para a usina hidrelétrica por meio de tubulações ou túneis. Em rios com declives acentuados, a construção de canais de desvio também pode criar um declive. Por exemplo: geralmente, o declive por quilômetro em um rio natural é de 10 metros. Se um canal for aberto na cabeceira desse trecho do rio para conduzir a água, o canal será escavado ao longo do curso do rio, e a inclinação será mais suave. Se o declive no canal for de apenas 1 metro por quilômetro, a água percorrerá 5 quilômetros no canal com um declive de apenas 5 metros, enquanto que em um leito de rio natural o declive seria de 50 metros. Nesse momento, a água do canal é conduzida de volta à usina pelo rio através de um cano ou túnel, formando uma queda d'água concentrada de 45 metros que pode ser utilizada para gerar eletricidade. Figura 2
A utilização de canais de desvio, túneis ou tubulações de água (como tubos de plástico, tubos de aço, tubos de concreto, etc.) para formar uma usina hidrelétrica com uma queda d'água concentrada é chamada de usina hidrelétrica de canal de desvio, que é um projeto típico de usinas hidrelétricas.
(2) Equipamentos mecânicos e elétricos
Além das obras hidráulicas já mencionadas (barragens, canais, pátios de contenção, tubulações de pressão, oficinas), a usina hidrelétrica também necessita dos seguintes equipamentos:
(1) Equipamento mecânico
Existem turbinas, reguladores, válvulas de comporta, equipamentos de transmissão e equipamentos não geradores.
(2) Equipamento elétrico
Existem geradores, painéis de controle de distribuição, transformadores e linhas de transmissão.
Nem todas as pequenas centrais hidrelétricas possuem, porém, as estruturas hidráulicas e os equipamentos mecânicos e elétricos mencionados anteriormente. Em centrais hidrelétricas de baixa queda, se a queda d'água for inferior a 6 metros, geralmente são utilizados canais de guia de água e canais abertos, sem a necessidade de reservatórios de pressão ou tubulações de pressão. Para usinas com pequena área de fornecimento de energia e curta distância de transmissão, adota-se a transmissão direta de energia, dispensando o uso de transformadores. As centrais hidrelétricas com reservatórios não necessitam da construção de barragens. O uso de tomadas d'água profundas, tubulações internas (ou túneis) e vertedouros elimina a necessidade de estruturas hidráulicas como vertedouros, comportas de entrada, canais e reservatórios de pressão.
Para construir uma usina hidrelétrica, é fundamental realizar, em primeiro lugar, um levantamento topográfico e um projeto minuciosos. O projeto se divide em três etapas: projeto preliminar, projeto técnico e detalhamento construtivo. Para garantir um bom projeto, é imprescindível um levantamento topográfico completo, ou seja, uma compreensão profunda das condições naturais e econômicas locais – topografia, geologia, hidrologia, infraestrutura, entre outros. A correção e a confiabilidade do projeto só podem ser asseguradas após o domínio e a análise desses fatores.
Os componentes de pequenas centrais hidroelétricas apresentam diversas formas, dependendo do tipo de central.
3. Levantamento Topográfico
A qualidade do levantamento topográfico tem grande influência no projeto de engenharia e na estimativa das quantidades necessárias para a obra.
A exploração geológica (compreensão das condições geológicas), além do conhecimento geral e da pesquisa sobre a geologia da bacia hidrográfica e ao longo do rio, também é necessária para entender se a fundação da casa de máquinas é sólida, o que afeta diretamente a segurança da própria usina. Uma vez que a barragem com um determinado volume de reservatório seja destruída, isso não só danificará a própria usina hidrelétrica, como também causará enormes perdas de vidas e bens a jusante.
4. Teste hidrológico
Para usinas hidrelétricas, os dados hidrológicos mais importantes são os registros do nível da água do rio, vazão, teor de sedimentos, condições de formação de gelo, dados meteorológicos e dados de levantamento de cheias. A magnitude da vazão do rio influencia o projeto do vertedouro da usina hidrelétrica. Subestimar a severidade da cheia pode causar danos à barragem; os sedimentos transportados pelo rio podem rapidamente assorear o reservatório em casos extremos. Por exemplo, o canal de entrada pode ficar assoreado, e os sedimentos de granulação grossa podem passar pela turbina e causar desgaste. Portanto, a construção de usinas hidrelétricas deve contar com dados hidrológicos suficientes.
Portanto, antes de decidir construir uma usina hidrelétrica, devemos primeiro investigar a direção do desenvolvimento econômico na área de fornecimento de energia e a demanda futura por eletricidade. Ao mesmo tempo, devemos avaliar a situação de outras fontes de energia na área de desenvolvimento. Somente após a pesquisa e análise da situação acima mencionada poderemos decidir se a usina hidrelétrica precisa ser construída e qual a sua dimensão ideal.
De forma geral, o objetivo do levantamento topográfico para usinas hidrelétricas é fornecer informações básicas precisas e confiáveis, necessárias para o projeto e a construção dessas usinas.
5. Condições gerais para a seleção do local
As condições gerais para a seleção de um local podem ser explicadas pelos seguintes quatro aspectos:
(1) O local selecionado deve ser capaz de utilizar a energia hídrica da forma mais econômica possível e cumprir o princípio da economia de custos, ou seja, após a conclusão da usina, o mínimo de recursos financeiros deve ser gasto e a maior quantidade de eletricidade gerada deve ser produzida. Isso geralmente pode ser medido estimando-se a receita anual de geração de energia e o investimento na construção da usina para verificar em quanto tempo o capital investido pode ser recuperado. No entanto, as condições hidrológicas e topográficas variam de um local para outro, assim como as necessidades de eletricidade, portanto, o custo de construção e o investimento não devem ser limitados a valores específicos.
(2) As condições topográficas, geológicas e hidrológicas do local selecionado devem ser relativamente superiores e devem existir possibilidades de projeto e construção. Na construção de pequenas centrais hidroelétricas, a utilização de materiais de construção deve estar de acordo com o princípio dos “materiais locais”, tanto quanto possível.
(3) O local selecionado deve estar o mais próximo possível da fonte de energia e da área de processamento para reduzir o investimento em equipamentos de transmissão de energia e a perda de energia.
(4) Ao selecionar o local, as estruturas hidráulicas existentes devem ser utilizadas ao máximo. Por exemplo, a queda d'água pode ser usada para construir uma usina hidrelétrica em um canal de irrigação, ou uma usina hidrelétrica pode ser construída ao lado de um reservatório de irrigação para gerar eletricidade a partir do fluxo de irrigação, e assim por diante. Como essas usinas hidrelétricas podem atender ao princípio de geração de eletricidade quando há água, sua importância econômica é mais evidente.
Data da publicação: 19 de maio de 2022
