Apostila - Noções de Geração

Apostila - Noções de Geração

(Parte 1 de 2)

SÉRIE TREINAMENTO, 075 Apostila 3035

Três Irmãos 2006

O mundo, no seu desenvolvimento cada vez mais necessita de energia utilizando-a em suas mais diversas formas, a partir das mais variadas fontes. Atualmente, uma das formas de energia mais utilizadas é a elétrica, obtida através de outras formas, tais como: Energia Hidráulica (gravitacional), Energia Térmica, Energia Química, Energia Nuclear e Energia Eólica.

A Energia Elétrica é produzida pelas Centrais Elétricas, através da transformação de uma outra forma de energia (hidráulica, atômica, etc.), dita primária, em energia motriz, e, a seguir, em Energia Elétrica. Apresentamos, na figura 1, as centrais existentes, a energia primária utilizada e as diversas formas de energia em que é transformada, até chegar à energia elétrica. Abordaremos o princípio de funcionamento das centrais mais utilizadas com ênfase especial às hidroelétricas.

Nome dado à Cent ral

Ele men to Utiliz ad o

Usina Eolielétrica

Deslocamento do Ar

Usina Hidroelétric. Usina Maremotriz Usina Reversível

Água

Usina Solar

Radiação Solar Át omo

Usina Nuclear Usina Termoelétrica

Co mbus tível

Ener gia Eólica

En erg ia Cinética

Energia Me câ nica

Ener gia Elétrica

Ener gia

Quím ica Energia

Nuclear

Energia Solar

Ene rgia hidr áulica

Energia

Pote ncial Energia Térmica

Fig. 01 - O processo de transformação, desde a energia primária até a energia elétrica, para os diversos tipos de Centrais Elétricas.

Tipos de Energia transformada no processo

02. USINA NUCLEAR

Uma Usina Nuclear é semelhante a uma térmica convencional: ambas utilizam o vapor, para movimentar uma turbina e um gerador, para produzir energia elétrica. A energia térmica do vapor é convertida em energia mecânica na turbina, e o gerador (alternador) converte esta energia mecânica em energia elétrica. A diferença é a origem do vapor: enquanto as usinas térmicas convencionais utilizam energia da combustão dos derivados do petróleo ou carvão, as usinas convencionais, a queima dos combustíveis produz quantidade de calor suficiente para mudar o estado da água de sólido para gasoso (vapor). Na usina nuclear não existe queima de combustíveis fósseis, mas sim a fissão nuclear. Em 1939, cientistas descobriram que os núcleos de certos átomos, ao serem bombardeados por partículas subatômicas chamadas nêutrons, dividem-se em dois fragmentos chamados produtos de fissão.

Estes fragmentos, após a fissão, adquirem grande velocidade e, ao se chocarem com os átomos, geram calor. Este calor é então transmitido direta ou indiretamente para a água, produzindo o vapor.

O importante é que, na reação da fissão, além da energia liberada, dois ou três novo nêutrons são emitidos. Estes nêutrons, ao colidirem com outros núcleos de urânio, provocam uma reação semelhante, originando a chamada reação em cadeia.

O reator nuclear é, pois, um dispositivo onde mantemos sob controle uma reação em cadeia. Para a produção de energia, é importante mantermos a reação em cadeia, pois, para se produzir um watt de potência, necessitamos de 30 bilhões de fissões por segundo. Para controlarmos a potência térmica de um reator nuclear, devemos poder variar esta taxa de fissões ou em outras palavras, variar o “nível” de neutrôns disponíveis no núcleo do reator. Isto é feito pelos chamados “venenos”, que são substâncias como o boro e o cádmio, que apresentam alto coeficiente de absorção de nêutrons; estas substâncias, ao serem introduzidas no núcleo, “baixam” o “nível” de nêutrons e, sendo retiradas, “elevam” este “nível”.

DE FISSÃO 2.1 - ENERGIA EÓLICA

O homem aprendeu há séculos, como aproveitar a força dos ventos para gerar energia: na Ilha de Creta já existiam cata-ventos e na Holanda, há centenas de anos os moinhos integram e compõem a paisagem. Hoje, diante da crise energética que atinge o mundo, renova-se o interesse pela energia eólica. Longe de significar um retrocesso tecnológico, o uso dos cataventos pode representar, a médio prazo, uma alternativa muito interessante para o país, porque, além de bombear água e moer grãos, duas tarefas tradicionais, os modernos geradores eólicos abrem caminho para novas e surpreendentes aplicações. O catavento é um sistema composto de rotor, multiplicador de velocidade (caixa de engrenagens) e um gerador eólico. Ele não é estático: possui uma base giratória que o orienta sempre na direção do vento. O rotor é o conjunto de pás da hélice,que recebe a energia mecânica. O potencial energético eólico, retirado do vento, está em função da superfície do sistema rotor: quanto maior o comprimento das pás, maior o potencial. Também depende da velocidade do vento, da densidade de arrasto, que por sua vez depende da geometria das pás. O tipo de material empregado também influi no desempenho do rotor. O ângulo das pás é determinado de tal forma que, a partir de ventos de três metros por segundo, o catavento começa a girar. Por questão de segurança do material das pás, o vento máximo considerado é de oito metros por segundo. Nesta situação, a pá fica em “passobandeira”, isto é, o rotor gira sem sofrer efeito dos ventos, ocasião em que é obtida máxima potência elétrica. Há um controle automático que torna a potência constante. A estrutura do conjunto em princípio, deve suportar ventos de até sessenta metros por segundo ou duzentos quilômetros por hora, um tufão. Existe, portanto, um limite na rotação do eixo. Contudo, o gerador elétrico trabalha com maior eficiência se a rotação for mais alta. Então, acopla-se ao conjunto um multiplicador de velocidade: o rotor gira devagar, mas o gerador, graças ao multiplicar, trabalha em alta rotação.

Do gerador sai um cabo que é conectado a um banco de bateria no qual é armazenada a energia elétrica.

A estrutura do conjunto em princípio, deve suportar ventos de até sessenta metros por segundo ou duzentos quilômetros por hora, um tufão. Existe, portanto, um limite na rotação do eixo.

Contudo, o gerador elétrico trabalha com maior eficiência se a rotação for mais alta.

Então, acopla-se ao conjunto um multiplicador de velocidade: o rotor gira devagar, mas o gerador, graças ao multiplicar, trabalha em alta rotação. Do gerador sai um cabo que é conectado a um banco de bateria no qual é armazenada a energia elétrica.

2.2 - ENERGIA QUÍMICA

Uma das opções para produção de energia a baixo custo, que vem apresentando resultados favoráveis e já difundido em vários países, é o biogás. Apesar de ser conhecido há muito tempo, só mais recentemente os processos de obtenção do biogás vêm se desenvolvendo com objetivos práticos em maior amplitude, objetivando sua utilização como energético.

O Biogás, basicamente é composto de uma mistura de gases contendo principalmente metano e dióxido de carbono, encontrando-se ainda, em menores proporções, gás sulfídrico e nitrogênio. A formação do biogás é comum na natureza. Assim ele é encontrado em pântanos, lamas escuras, locais onde a celulose sofre decomposição naturalmente. O Biogás é um produto resultante da fermentação, na ausência de ar, de dejetos animais, resíduos vegetais e de lixo orgânico industrial ou residencial, em condições adequadas de umidade. A reação desta natureza é denominada digestão anaeróbica.

O principal componente do biogás é o metano, representando 60 a 80% na composição do total da mistura. O metano é um gás incolor, inodoro, altamente combustível, queimado com chama azul-lilás, sem deixar fuligem e com um mínimo de poluição. Em função da porcentagem com que o metano participa na composição do biogás, o poder calorífico deste pode variar de 5000 a 7000 Kcal por metro cúbico.

Esquema Representativo

1. Caixa de alimentação 2. Câmara de digestão 3. Gasômetro 4. Guia do gasômetro 5. Parede divisória 6. Caixa de saída do afluente 7. Depósito do Biogás produzido

2.3 - ENERGIA SOLAR

Os países desenvolvidos estão investindo grandes somas em pesquisas e equipamentos solares. Alguma destas nações tem inclusive, menores possibilidades de utilização de energia solar do que países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento.

Processo Térmico

Dentro da classe da conversão térmica existem três tipos de aplicações: de baixa temperatura, de média temperatura e de alta temperatura.

processo de baixa temperatura é aplicável a utilidades domésticas e, eventualmente, industriais como os pré-aquecedores.

processo de média temperatura permite a utilização da energia solar para aplicações industriais como geração de vapor ou calor na faixa de 150-350ºC.

A alta temperatura, teríamos a geração elétrica por conversão térmica da energia solar.

Algumas aplicações desses processos já atingiram estágio comercial, como os coletores planos estão dispostos no teto. Estes coletores são usados para pré-aquecimento da água.

Os coletores para uso industrial utilizam artifícios como a concentração do feixe de energia solar por dispositivos concentração do feixe de energia solar por dispositivos concentradores, que são refletores parabólicos ou cilíndrico-parabólicos, que convergem o feixe de energia para uma área menor.

Os coletores domésticos e industriais são constituídos de uma superfície de absorção de energia calorífica, fundamentada na lei do corpo negro e com superfície condutora desta energia, ou seja, uma superfície fechada ou circuito fluido, que absorve esse calor e o transporta para o local de utilização. A energia solar é convertida em energia térmica na superfície absorvedora, a qual recebe uma camada seletiva por vários processos: pintura, deposição, spray, etc. A aparência dessa camada aproxima-se do corpo negro ideal da física, que é definido como um objeto que absorve toda e não reflete nenhuma radiação incidente sobre ele.

Conversão Fotovoltaica

Os sistemas de conversão fotovoltaica são constituídos, basicamente, por dispositivos denominados células fotovoltaicas, que têm a finalidade de converter diretamente a energia solar (radiação eletromagnética) em energia elétrica. A célula fotovoltaica é formada por um disco de silício onde são introduzidas certas impurezas (fósforo, boro, etc) que o transformam num semicondutor de características especiais. A superfície desse disco sofre tratamento para absorver a luz solar, sem refleti-la, de modo que haja máximo aproveitamento da energia contida na radiação solar. A incidência dos fótons (quanta de energia) da energia solar sobre a superfície cristalina é energeticamente maior do que a energia de ligação dos átomos que formam esta rede cristalina. Isso provoca o deslocamento de elétrons da camada externa daquela superfície, formando pares lacuna-elétrons que vão atravessando a massa cristalina. Não sendo interceptados pelos grãos de cristais, atingem a rede coletora (malha metálica fina adicionada sobre a superfície do par semicondutor), produzindo a corrente elétrica.

Conversor Fotovoltaico

2.4. USINAS TERMOELÉTRICAS

Central termoelétrica a vapor

Uma Central Térmica compõe-se de uma série de elementos, sendo que cada um transforma a energia que recebe do precedente numa energia que transmite ao seguinte, para obter finalmente a energia elétrica.

2.4.2 - Combustíveis

- Combustíveis sólidos Emprega-se quase exclusivamente a hulha e em certas regiões, a linhita.

- Combustíveis líquidos Utiliza-se o “fluel-oil” obtido pela destilação do petróleo.

- Combustíveis gasosos

Algumas siderúrgicas onde os altos fornos produzem gazes como subprodutos utilizam-no como combustível numa usina termoelétrica.

2.4.2 - A Caldeira

A Caldeira é constituída de tubos de aço especial, ligados a um cilindro situado na parte superior. Os tubos contendo água circulam internamente na câmara de combustão. O cilindro denomina-se balão e tem por finalidade receber o suprimento de água e coletar o vapor gerado na tubulação.

2.4.4- O Condensador

O condensador tem a função de condensar o vapor que produziu um trabalho na turbina.

A condensação se efetua por troca de calor entre a água fria e o vapor que passa através de um grupo de tubos contidos em um reservatório.

2.4.5 - A Turbina

A Turbina a vapor é um motor situado entre a caldeira, que é fonte quente e o condensador, que é a fonte fria. Expandindo-se o vapor d’água aumenta sua velocidade. Pode-se transformar esta expansão em trabalho mecânico. Aproximando-se o jato de vapor de uma rocha munida de palhetas, esta começa a girar.

2.4.6. O Alternador

Os Alternadores acoplados às turbinas a vapor têm por características girar em altíssimas velocidades (3600 rpm).

Sendo os esforços centrífugos muito elevados, a construção do rotor ou indutor deve ser esmerada e especial cuidado deve ser dado à fixação das bobinas das ranhuras.

O Estator ou induzido é constituído de uma corda de ferro laminado provida de entalhes onde são alojadas as bobinas. Cada bobina é varrida pelo fluxo de indução emitido pelos pólos do rotor.

Estator

2.4.7-Serviços Auxiliares

Numa central termoelétrica, os serviços auxiliares são muito importantes e os motores que movimentam as bombas, os ventiladores, os britadores, os trituradores, etc, exigem uma potência elevada e são, muitas vezes, alimentados em alta tensão.

Existe ainda uma bateria de acumuladores que alimenta os circuitos de comando e segur anç a.

1. Abastecimento de carvão; 2. Tela; 3. Forno; 4. Cinza; 5. Conduto de vapor; 6. Chaminé; 7. Caldeira; 8. Aquecedor primário; 9. Turbina de alta pressão; 10. Aquecedor secundário; 1. Turbina de média pressão; 12. Turbina de baixa pressão; 13. Condensador; 14. Bomba de extração do condensador; 15. Pré-aquecedores da água de alimentação; 16. Bomba de alimentação da caldeira; 17. Economizador de água de alimentação; 18. Torre de refrigeração; 19. Bomba de circulação da água de refrigeração; 20. Extração de vapor para os circuitos primários dos pré-aquecedores da água de alimentação; 21. Turbo-gerador; 2. Excitatriz; 23. Circuito de energia elétrica a média tensão; 24. Transformador elevador; 25. Circuito de energia elétrica a alta tensão.

Um sistema conhecido desde a antiguidade, que permite explorar a energia das marés, é o dos moinhos, dispositivos muito conhecidos em todo o mundo. Suponhamos uma barragem provida de uma comporta. Quando a maré sobe causando um desnível, pode-se abrir a comporta, surgindo um fluxo de água que poderá ser aproveitado para girar uma roda rústica ou até uma turbina. No mundo existe somente uma usina desse tipo, na França (Rio Rance), onde as marés são singularmente regulares e de maior amplitude. Dificuldades de toda classe têm impedido que vários projetos se transformassem em realidade. A experiência adquirida na construção e funcionamento da usina do Rio Rance servirá sem dúvida, para a construção de futuras centrais e, naturalmente, serão os franceses que levarão a dianteira na técnica de construção de usinas maremotrizes.

03. USINA HIDROELÉTRICA

Utiliza a energia decorrente da diferença de níveis nas quedas dos rios. Com isso consegue-se uma pressão e, através das barragens, um volume de água necessário para movimentar turbinas e estas, os geradores.

3.1-CLASSIFICAÇÃO - Usina de base

É aquela em que seu fator de capacidade fica entre 75 a 100% ou seja, sua carga é quase sempre constante.

- Usina de Ponta

É aquela em que seu fator de capacidade varia muito ou seja, sua potência varia de acordo com a curva de carga.

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