FORMAÇÃO - PRÁTICAS DE ELECTRICIDADE
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Manuel Teixeira e Paulo Peixoto Formadores da ATEC - Academia de Formação
ficha prática n.º 17 {BARRAGENS - PARTE I} Uma barragem é uma barreira artificial, feita em cursos de água para a retenção de grandes quantidades de água. A sua utilização é sobretudo para abastecer de água zonas residenciais, agrícolas, industriais, produção de energia eléctrica (energia hidráulica), ou regularização de um caudal. ENERGIA HIDRÁULICA A energia hidráulica ou energia hídrica é a energia obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. A forma na qual ela se manifesta na natureza é nos fluxos de água, como rios e lagos podendo ser aproveitada por meio de um desnível ou queda de água. Pode ser convertida na forma de energia mecânica (rotação de um eixo) através de turbinas hidráulicas ou moinhos de água. As turbinas por sua vez podem ser usadas como accionamento de um equipamento industrial, como um compressor, ou de um gerador eléctrico, com a finalidade de fornecer energia eléctrica a uma rede de energia.
› Funcionamento das centrais hidroeléctricas A água sai da barragem e atravessa uma turbina que acciona a sua passagem. O tipo de turbina depende da altura da queda, nas grandes correntes de água é costume utilizar-se a turbina de Francis. O seu eixo está directamente ligado ao gerador. Por vezes, dispõem-se em fila vários conjuntos turbina-gerador, outras vezes a central é instalada no subsolo. Na central, para aumentar a tensão e facilitar o transporte, faz-se passar por um transformador a energia eléctrica procedente do gerador. Nos locais de destino, a tensão é de novo reduzida para se distribuir a corrente às indústrias e habitações. Uma barragem hidroeléctrica costuma funcionar continuamente para assim fornecer electricidade sem interrupções. A grande vantagem desta forma de energia é ser rentável e poderosa. Além disso é uma fonte de energia limpa e renovável. A potência hidráulica máxima que pode ser obtida através de um desnível pode ser calculada pelo produto: P = UQHg em unidades do sistema internacional de unidades (SI) › Potência (P): Watt (W) › Queda (H): m › Densidade (U): kg / m3 › Vazão volumétrica (Q): m3 / s › Aceleração da gravidade (g): m / s2
Figura 1 . Central Hidroeléctrica.
A energia hidroeléctrica é uma excelente forma de gerar electricidade pois não produz qualquer poluição ambiental, nem consome combustível.
› O gerador Os geradores foram inventados no século XIX. Em 1831, o cientista inglês Michael Faraday descobriu que passando uma espiral de arame através de um campo magnético provocava um fluxo de electrões uma corrente eléctrica na espiral de arame. Um gerador eléctrico é basicamente uma espiral metálica que gira num campo magnético ou se mantém estático enquanto o campo magnético gira em torno dela. Se bem que pareça que toda a energia produzida está disponível, a primeira e segunda lei da Termodinâmica dizem-nos que tal não acontece. Como o fluxo de corrente criado na espiral metálica cria um campo magnético que é oposto ao primeiro, provoca resistência ao movimento. Em consequência, alguma energia produzida é convertida em calor e perde-se. Por cada 100 calorias de electricidade produzida, mais de 100 calorias de energia primária podem ser gastas para movimentar o gerador. Na mais generalizada técnica para gerar electricidade, uma fonte de energia primária é utilizada para produzir vapor de água, que produz uma corrente de alta pressão que movimenta a turbina, um sofisti-
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A grande vantagem da excitatriz estática, além da ausência de partes móveis, é a grande rapidez de resposta. As excitatrizes electromecânicas, por outro lado, dispensam anéis deslizantes, pois são montadas sobre o próprio eixo do rotor, mas respondem mais lentamente a variações da necessidade de excitação.
TURBINA HIDRÁULICA As turbinas hidráulicas são projectadas para transformar a energia hidráulica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em energia mecânica. Actualmente são mais encontradas em centrais hidroeléctricas, onde são acopladas a um gerador eléctrico, o qual é ligado à rede de energia. Também podem ser usadas para gerar energia em pequena escala, para as comunidades isoladas.
› Princípios As turbinas hidráulicas dividem-se em diversos tipos, sendo quatro tipos principais: Francis (figura 6), Pelton, Kaplan (figura 7), Bulbo. Cada um destes tipos é adaptado para funcionar em centrais, com uma determinada faixa de altura de queda e vazão. Os vazões volumétricos podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e do vazão volumétrico (Q).
Figuras 8 . Turbina Pelton.
Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial dela, é transferida para o rotor na forma de torque e velocidade de rotação. Devido a isto a água na saída da turbina estará a uma pressão bem menor do que a inicial. Após passar pelo rotor, o tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante da casa de força, no nível mais baixo. As turbinas Pelton, têm um princípio um pouco diferente (impulsão) pois a pressão primeiro é transformada em energia cinética, num bocal, onde o fluxo de água é acelerado até uma alta velocidade, e em seguida choca com as pás da turbina imprimindo-lhe rotação e torque. As turbinas hidráulicas, podem ser montadas com o eixo no sentido vertical ou horizontal. Os esforços oriundos do peso próprio e da operação da máquina são suportados axialmente por mancais de escora e contra-escora e radialmente por mancais de guia, sendo que o arranjo e quantidade de mancais podem variar em cada projecto. Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instalada em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar electricidade. Por esta razão a velocidade de rotação é fixada num valor constante.
Figuras 6 e 7 . Turbina Francis e Turbina Kaplan, respectivamente.
Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela tomada de água, a montante da central hidroeléctrica que está num nível mais elevado, e é levada através de uma conduta forçada até à entrada da turbina. Lá, a água passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam o vazão volumétrico fornecido à turbina. Para se aumentar a potência, as palhetas abrem-se, para diminuir a potência, elas fecham-se. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina. Nas turbinas Pelton (figura 8), não há um sistema de palhetas móveis, mas sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O controle do vazão é feito por este dispositivo.
O índice K é o rendimento total da turbina. O rendimento é a fracção da energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência de eixo). As principais causas da “perda” de energia nas turbinas são: › Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina. › Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais. Tipicamente as turbinas modernas têm um rendimento entre 85% e 95%, que varia conforme o vazão de água e a queda líquida. Na próxima edição serão desenvolvidas as restantes categorias de turbinas.