1. Visão geral da geração de energia hidrelétrica
A geração de energia hidrelétrica consiste na conversão da energia da água de rios naturais em energia elétrica para uso humano. As fontes de energia utilizadas pelas usinas são diversas, como energia solar, energia hídrica e energia eólica. O custo da geração de energia hidrelétrica é baixo, e a construção de usinas pode ser combinada com outros projetos de conservação de água. A China possui abundância de recursos hídricos e excelentes condições climáticas. A energia hidrelétrica desempenha um papel importante no desenvolvimento econômico nacional.
O nível da água a montante de um rio é mais alto do que o nível a jusante. Devido a essa diferença entre os níveis da água, a energia hídrica é gerada. Essa energia é chamada de energia potencial. A diferença entre a altura da superfície da água do rio é chamada de queda d'água, também conhecida como diferença de nível ou altura de queda. Essa queda d'água é uma condição fundamental para a geração de energia hidráulica. Além disso, a potência hidráulica também depende 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 potência hidráulica; quanto maior a queda d'água, maior a potência hidráulica; se a queda d'água e a vazão forem relativamente pequenas, a potência gerada pela usina hidrelétrica será menor.
A queda d'água é geralmente expressa em metros. O gradiente da superfície da água é a razão entre a queda e a distância, o que pode indicar o grau de concentração da queda. Se a queda for relativamente concentrada, o aproveitamento da energia hidrelétrica é mais conveniente. 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 hidráulica.
Vazão é a quantidade de água que flui por um rio em uma unidade de tempo, expressa em metros cúbicos por segundo. Um metro cúbico de água equivale a uma tonelada. A vazão de um rio varia a qualquer momento e em qualquer lugar, portanto, ao falarmos sobre vazão, devemos considerar o momento e o local específicos onde ela ocorre. A vazão varia significativamente ao longo do tempo. Em geral, os rios na China apresentam grande vazão no verão, outono e estação chuvosa, mas baixa vazão no inverno e na primavera. A vazão varia de mês para mês e o volume de água varia de ano para ano. A vazão dos rios em geral é relativamente pequena na nascente; à medida que os afluentes convergem, a vazão na jusante aumenta gradualmente. Portanto, embora a queda d'água na nascente seja concentrada, a vazão é pequena; embora a vazão na jusante seja grande, 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 com a seguinte fórmula:
N= GQH
Na fórmula, N – saída, unidade: kW, também chamada de potência;
Q — vazão, em metros cúbicos por segundo;
H — Queda, em metros;
G = 9,8, é a aceleração da gravidade, em Newton/kg.
A potência teórica é calculada de acordo com a fórmula acima, sem dedução de perdas. Na realidade, durante a geração de energia hidrelétrica, as turbinas hidráulicas, os equipamentos de transmissão, os geradores, etc., inevitáveis, apresentam perdas de potência. 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 que ocorra alguma perda. No processo de geração de energia hidrelétrica, as principais perdas ocorrem nas turbinas hidráulicas e nos geradores (incluindo as perdas nas tubulações). Em microcentrais hidrelétricas rurais, as diversas perdas representam de 40 a 50% da potência teórica total, portanto, a potência de saída das usinas hidrelétricas só pode ser aproveitada entre 50 e 60% da potência teórica, ou seja, a eficiência é de cerca de 0,5 a 0,60 (incluindo a eficiência da turbina de 0,70 a 0,85, a eficiência do gerador de 0,85 a 0,90 e a eficiência dos equipamentos de tubulação e transmissão de 0,80 a 0,85). Portanto, a potência efetiva (de saída) da usina hidrelétrica pode ser calculada da seguinte forma:
K – eficiência da usina hidrelétrica, (0,5~0,6) é adotada para o cálculo aproximado de micro usinas hidrelétricas; A fórmula acima pode ser simplificada como:
N=(0,5 ～ 0,6) Potência real do QHG = eficiência × vazão × queda × nove vírgula oito
A energia hidrelétrica é utilizada para acionar um tipo de máquina chamada turbina hidráulica. Por exemplo, a antiga roda d'água chinesa é uma turbina hidráulica bastante simples. As diversas turbinas hidráulicas utilizadas atualmente são adaptadas a diferentes condições hidráulicas específicas, de modo que possam girar com maior eficiência e converter a energia da água em energia mecânica. Outra máquina, o gerador, é conectada à turbina hidráulica para fazer com que o rotor do gerador gire juntamente com a turbina, gerando assim eletricidade. O gerador pode ser dividido em duas partes: a parte que gira junto com a turbina hidráulica e a parte fixa. A parte que gira junto com a turbina hidráulica 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. O estator é envolto por várias bobinas de cobre. Quando os polos magnéticos do rotor giram no centro da bobina de cobre do estator, uma corrente elétrica é gerada no fio de cobre, e o gerador converte energia mecânica em energia elétrica.
A energia elétrica gerada pela central elétrica é transformada por diversos equipamentos elétricos em energia mecânica (motor ou máquina), energia luminosa (lâmpada elétrica), energia térmica (forno elétrico), etc.
2. Composição da usina hidrelétrica
A central hidroelétrica é composta por estruturas hidráulicas, equipamentos mecânicos e equipamentos elétricos.
(1) Estruturas hidráulicas
Inclui barragem, comporta de entrada, canal (ou túnel), reservatório de compensação (ou tanque de regulação), conduta forçada, casa de máquinas e canal de fuga, etc.
Construir uma barragem no rio para bloquear o curso d'água, elevar o nível da água e formar um reservatório. Dessa forma, cria-se uma queda d'água concentrada desde o nível da água do reservatório na barragem até o nível da água do rio abaixo da barragem, e então a água é conduzida para a usina hidrelétrica através de tubulações ou túneis. Em leitos de rios íngremes, o uso de canais de desvio também pode criar uma queda d'água. Por exemplo, a queda de um rio natural é de 10 metros por quilômetro. Se um canal for aberto na cabeceira desse trecho do rio para conduzir a água, o canal será escavado ao longo do leito do rio, e a inclinação do canal será suave. Se a queda no canal for de apenas 1 metro por quilômetro, a água percorrerá 5 quilômetros no canal e a queda será de apenas 5 metros, enquanto que em um rio natural a queda seria de 50 metros após percorrer 5 quilômetros. Neste momento, a água do canal é conduzida de volta à central elétrica pelo rio através de tubulações ou túneis, e existe uma queda d'água concentrada de 45 metros que pode ser utilizada para gerar eletricidade.
Uma central hidrelétrica que utiliza canais de desvio, túneis ou tubulações de água (como tubos de plástico, tubos de aço, tubos de concreto, etc.) para formar uma queda d'água concentrada é chamada de central hidrelétrica de canal de desvio, que é um projeto típico de centrais hidrelétricas.
(2) Equipamentos mecânicos e elétricos
Além das obras hidráulicas acima mencionadas (barragem, canal, reservatório de compensação, conduta forçada e casa de máquinas), a usina hidrelétrica também necessita dos seguintes equipamentos:
(1) Equipamento mecânico
Existem turbinas hidráulicas, reguladores, válvulas de gaveta, equipamentos de transmissão e equipamentos que não são de geração de energia.
(2) Equipamento elétrico
Existem geradores, painéis de controle de distribuição, transformadores, linhas de transmissão, etc.
Contudo, nem todas as pequenas centrais hidroelétricas possuem as estruturas hidráulicas e os equipamentos mecânicos e elétricos mencionados acima. As centrais hidroelétricas de baixa queda, com menos de 6 metros de altura, geralmente adotam o método de canal de derivação e câmara de derivação em canal aberto, não havendo, portanto, reservatório de compensação nem conduta forçada. As centrais com pequena área de fornecimento de energia e curta distância de transmissão utilizam transmissão direta, sem transformador. As centrais hidroelétricas com reservatórios não necessitam da construção de barragens. Nesses casos, adota-se a entrada de água profunda, e a tubulação interna (ou túnel) e o vertedouro da barragem não requerem estruturas hidráulicas como vertedouros, comportas de entrada, canais e reservatórios de compensação.
Para construir uma usina hidrelétrica, é fundamental realizar um levantamento e um projeto cuidadosos. O projeto se divide em três etapas: projeto preliminar, projeto técnico e detalhamento construtivo. Para garantir um bom projeto, é imprescindível realizar um levantamento completo, ou seja, compreender plenamente as condições naturais e econômicas locais — topografia, geologia, hidrologia, capital, etc. A correção e a confiabilidade do projeto só podem ser asseguradas após o domínio e a análise dessas condições.
Os componentes de pequenas centrais hidrelétricas apresentam diversas formas, dependendo do tipo de central.
3. Levantamento topográfico
A qualidade do levantamento topográfico tem grande influência no planejamento do projeto e na estimativa de quantidades.
A exploração geológica (compreensão das condições geológicas) exige não apenas um conhecimento geral e pesquisa sobre a geologia da bacia e a geologia das margens do rio, mas também a compreensão da solidez da fundação da casa de máquinas, 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. Portanto, a seleção geológica do reservatório de compensação geralmente é priorizada.
4. Hidrometria
Para usinas hidrelétricas, os dados hidrológicos mais importantes são os registros do nível da água do rio, vazão, concentração de sedimentos, formação de gelo, dados meteorológicos e dados de levantamento de cheias. A magnitude da vazão do rio afeta o dimensionamento do vertedouro da usina hidrelétrica, e a subestimação da severidade das cheias pode levar à destruição da barragem. Além disso, os sedimentos transportados pelo rio podem assorear o reservatório rapidamente em casos extremos. Por exemplo, a entrada de sedimentos no canal causa assoreamento, e sedimentos grosseiros podem passar pela turbina hidráulica, causando desgaste. Portanto, a construção de usinas hidrelétricas exige dados hidrológicos suficientes.
Portanto, antes de decidir construir uma usina hidrelétrica, é necessário investigar e estudar a direção do desenvolvimento econômico e a demanda futura de eletricidade na área de fornecimento de energia. Ao mesmo tempo, é preciso avaliar a situação de outras fontes de energia na área de desenvolvimento. Somente após estudar e analisar as condições acima mencionadas, podemos decidir se a usina hidrelétrica precisa ser construída e qual a escala ideal da obra.
De forma geral, o objetivo do levantamento hidrográfico é fornecer dados básicos precisos e confiáveis, necessários para o projeto e a construção de usinas hidrelétricas.
5. Condições gerais do local da estação selecionada
As condições gerais para a seleção do local da estação podem ser descritas nos quatro aspectos seguintes:
(1) O local escolhido para a estação deve permitir o uso mais econômico da energia hídrica e estar em conformidade com o princípio da redução de custos, ou seja, após a conclusão da usina, o custo gasto será mínimo e a energia gerada será máxima. Geralmente, isso pode ser medido estimando-se a receita anual da geração de energia e o investimento na construção da estação para verificar em quanto tempo o capital investido pode ser recuperado. No entanto, devido às diferentes condições hidrológicas e topográficas e às diferentes demandas de energia, o custo e o investimento não devem ser limitados a valores específicos.
(2) O local selecionado para a estação deve apresentar condições topográficas, geológicas e hidrológicas superiores, e ser viável em termos de projeto e construção. A construção de pequenas centrais hidroelétricas deve, na medida do possível, seguir o princípio de “materiais locais” em termos de materiais de construção.
(3) O local da estação selecionada deve estar o mais próximo possível da área de fornecimento de energia e processamento para reduzir o investimento em equipamentos de transmissão e perda de energia.
(4) Ao selecionar o local da usina, as estruturas hidráulicas existentes devem ser utilizadas sempre que possível. Por exemplo, a queda d'água pode ser usada para construir usinas hidrelétricas em canais de irrigação, ou usinas hidrelétricas podem ser construídas perto de reservatórios de irrigação para gerar eletricidade usando o fluxo de irrigação, etc. Como essas usinas hidrelétricas podem atender ao princípio de geração de eletricidade quando há água, sua importância econômica é mais evidente.
Data da publicação: 25 de outubro de 2022
