Geração e Distribuição de Energia

Geração e Distribuição de Energia

(Parte 2 de 5)

Algumas das principais diferenças entre os turbogeradores e os hidrogeradores é a velocidade de rotação e o momento de inércia da parte girante. Nos hidrogeradores a velocidade de rotação é normalmente bem mais baixa e o momento de inércia bem maior do que nos turbogeradores, uma das conseqüências desta diferença é a de que os turbogeradores necessitam de sistemas de controle de corrente de campo e controle da velocidade de rotação da máquina primária mais confiáveis e mais rápidos do que os hidrogeradores, pois uma perturbação na carga requer uma adaptação rápida e precisa do sistema de geração.

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Módulo 4 – Geração de Energia

2MÁQUINAS PRIMÁRIAS 2.1 HIDRÁULICAS

Toda eletricidade é proveniente de uma fonte de energia encontrada na natureza, como os combustíveis fósseis, os ventos, entre outros. Nas hidrelétricas este princípio não é diferente. A fonte de energia é a energia potencial de um volume de água, em função da diferença de altitude entre o montante e a juzante.

Para iniciar o processo de conversão da energia potencial da água em energia elétrica, a água dos reservatórios é captada, através de um sistema de adução onde a água é transportada através de condutos de baixa pressão. Os condutos de baixa pressão possuem uma declividade muito baixa, pois a sua finalidade é apenas o transporte da água até a entrada dos condutos forçados, que conduzem a água até a casa de máquinas onde se encontram as turbinas.

Figura 2.1.1 – Exemplo de turbinas em barragens

A turbina hidráulica é uma máquina com a finalidade de transformar a energia cinética do escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico. Para isso elas são equipadas com uma série de pás (ou conchas, no caso das turbinas Pelton). Quando a água atravessa essas pás, as turbinas giram com uma grande força. A força com que gira essa turbina depende inicialmente da altura da queda de água, que corresponde, aproximadamente, a diferença de altitude entre a adução e a entrada da turbina.

Existem várias formas de conseguir um desnível aproveitável: Por represamento, onde uma barragem acumula as águas dos rios em alturas necessárias para obtenção dessa energia. Neste caso as casas de máquinas são localizadas nos pés das barragens. Por Desvio, onde uma parte do rio é desviada de seu curso normal para aproveitar-se um desnível de terreno. Ou por

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Módulo 4 – Geração de Energia derivação, onde parte da água de um rio é desviada e jogada em outro rio aproveitando-se o desnível entre os dois rios. Nestes últimos as casas de máquinas são localizadas o mais próximo possível da jusante dos desníveis.

Figura 2.1.2 – Corte longitudinal em uma turbina tipo francis, eixo vertical. 1- rotor, 2- pá,

3- labirinto interno, 4- labirinto externo, 5- Orifícios de equilíbrio de pressão, 6- tubo de equilíbrio de pressão, 7- palheta diretriz, 8- tampa, 9- caixa espiral, 10- palheta fixa, 1- tubo de sucção, 12- eixo, 13- flange de acoplamento, 14- servomotor das aletas ajustáveis.

Basicamente existem 2 tipos de turbinas hídricas: as turbinas de reação ou propulsão, e turbinas de ação ou impulso.

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Figura 2.1.3 - Corte longitudinal em uma turbina tipo hélice, kaplan, de eixo vertical. 1- rotor,

2- pá, 3- palheta diretriz, 4- tampa intermediaria, 5- tampa externa, 6- tampa interna, 7- anel periférico, 8- caixa, 9- palheta fixa, 10- tubo de sucção, 1- eixo, 12- flange de acoplamento.

a)Turbinas de Reação (ou propulsão): São turbinas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinéticas e de pressão da água em escoamento através do rotor. As turbinas de reação são as do tipo Francis e Kaplan.

b)Turbinas de Ação (ou impulso): Aquela em que o trabalho mecânico é obtido pela obtenção da energia cinética da água em escoamento através do rotor. As turbinas de ação são as do tipo Pelton.

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Figura 2.1.4 – Corte transversal em uma turbina pelton de dois injetores, de eixo horizontal e coroa em uma única peça. 1- rotor, 2- pá, 3- coroa de pás, 4- tampa, 5- desviador frontal, 6- poço, 7- blindagem, 8- canal de fuga, 9-eixo de turbina, 10- injetor, 1- freio de jato, 12- agulha, 13- cruzeta pelton, 14- defletor.

A turbina hidráulica utiliza a energia cinética de rotação de seu rotor para girar o gerador ao qual está conectado. Um dispositivo elétrico chamado transformador converte a tensão de saída do gerador em tensões aproveitáveis pelas concessionárias.

Estima-se que o Brasil tenha um potencial de geração de energia hidrelétrica da ordem de 200.000MW, capaz de fornecer 1 milhão de GWh de eletricidade anualmente, dos quais somente 25% estão sendo utilizados.

A capacidade nominal instalada de geração de energia elétrica no Brasil é de 57.232MW, dos quais 92% são derivados de hidrelétricas. A ELETROBRÁS participa com 27.052MW da capacidade nominal instalada. Em 1996, o sistema teve energia disponível da ordem de 311.379GWh, para um consumo de 260.908GWh, empregava 157.063 trabalhadores e tinha aproximadamente 39,8 milhões de consumidores.

O Brasil, juntamente com o Paraguai, possui uma das maiores usinas hidrelétricas do mundo, a Itaipú Binacional, com capacidade instalada de 12.600MW, localizada no rio Paraná, fronteira dos dois países.

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O motor Diesel é uma maquina térmica, ou seja, transforma energia térmica em energia mecânica através do mesmo principio de funcionamento dos motores a explosão, como os conhecidos motores de automóveis. Esses motores são chamados de máquinas térmicas a pistão ou motores de combustão interna. Seu objetivo é a obtenção de trabalho através da liberação da energia química do combustível.

Figura 2.2.1 – Grupo gerador com motor Diesel 1- Máquina térmica motora, motor Diesel.

2- Máquina elétrica geradora. 3- Árvore, através da qual o motor Diesel fornece a potência para o gerador. 4- Saída dos produtos da combustão. 5 - Entrada ou saída do fluido refrigerante.

A figura 2.2.1 mostra um grupo gerador onde um motor Diesel é a máquina térmica motora que está acoplada a um alternador, máquina elétrica geradora ou operadora. Observa-se que o motor Diesel fornece na árvore um trabalho em uma unidade de tempo, potência, entregando ao meio externo, através de seus sistemas de refrigeração e nos produtos de combustão, calor. Tal potência e calores são resultado da liberação de uma energia química liberada através de reações exotérmicas entre um combustível, no caso o óleo Diesel, e um comburente, no caso o oxigênio do ar.

Os motores a pistão de combustão interna podem ser classificadas de várias maneiras, entre as quais algumas merecem destaque:

•Quanto ás propriedades do gás na fase de compressão: motores Otto e motores Diesel;

•Quanto ao ciclo de trabalho: Motores de 2 e 4 tempos. Nos motores de 2 tempos ocorre um processo de trabalho a cada giro da árvore, e no motor 4 tempos são necessários 2 giros para completar um ciclo do processo;

•Quanto ao movimento do pistão: motores a pistão rotativos ou alternativos; •Quanto ao número de cilindros.

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Figura 2.2.2 – Corte no cabeçote de um motor de combustão interna PM1- Ponto morto superior. PM2- Ponto morto inferior. 1- Cilindro. 2- Pistão ou êmbolo. 3- Vela. 4- Válvulas.

•Quanto a disposição dos cilindros: motores a pistão com cilindros em linha, V. L, H, W, em estrela e com cilindros opostos.

Os motores a pistão de combustão interna mais utilizados em grupos geradores são os motores Diesel. Diferentemente do motores Otto, em que a mistura combustível e comburente é preparada fora do motor pelo carburador e injetada no cilindro, nos motores Diesel o ar é admitido no cilindro, comprimido, e o combustível é injetado na massa de ar comprimido através de um circuito independente ocasionando assim a inflamação espontânea.

O ciclo de funcionamento de um motor Diesel é a 4 tempos onde a combustão ocorre com pequena variação de pressão a volume constante sendo sua maior parte desenvolvida a pressão constante. Tal fato é uma característica única nos motores a diesel.

No caso dos motores diesel, a regulação de velocidade é feita a partir da injeção de combustível no motor, tal como é feita nos motores diesel convencionais. Esta regulação de velocidade é fundamental para que a freqüência do grupo gerador seja constante, em 60 ou 50 Hz dependendo do sistema, independentemente da variação da carga.

As centrais Diesel, apesar de sua limitação de potência, ruído e vibração, constituem um tipo de central muito utilizado até potências de 40 MW. Isto porque são bastante compactas, entram em carga em um tempo muito pequeno, são de fácil operação e apresentam um plano de manutenção de fácil execução, entre outros motivos.

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Figura 2.2.3 – Ciclo de trabalhe de motor Diesel a 4 tempos.

PM1 e PM2 – Pontos mortos superior e inferior. VA – Válvula de admissão. VE – Válvula de escape. D – diâmetro do pistão. E – curso. R – Raio da árvore de manivelas. Vm – volume morto. Vc – Volume da cilindrada. I – Pistão ou êmbolo. I – Biela. II – Árvore de manivelas.

IV – Camisa. V – Cavernas, para refrigeração. VI – Injetor. Estado 2 – Início da injeção.

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2.3 TERMELÉTRICAS

As máquinas a vapor foram as primeiras máquinas a produzirem energia mecânica aproveitável para processos industriais. Por isto essas máquinas foram fundamentais para o acontecimento da revolução industrial. Com o aparecimento da eletricidade, as máquinas a vapor se tornaram peças fundamentais para a geração de energia elétrica, uma vez que já existia o domínio dessa tecnologia.

As instalações de potência com turbinas a vapor podem visar apenas a obtenção de energia elétrica ou mecânica ou simultaneamente elétrica ou mecânica e vapor para o processo. Essas centrais podem trabalhar em circuito aberto ou fechado, sendo o circuito aberto muito utilizado quando se pretende utilizar calor para o processo.

Figura 2.3.1 – Funcionamento de uma instalação de potência a vapor.

O aquecimento da água é feito através da queima de algum combustível. De um modo geral denomina-se combustível, qualquer corpo cuja combinação química com outro seja exotérmica. Entretanto, condições de baixo preço, existência na natureza ou processo de fabricação em grande quantidade limitam o número de combustíveis usados tecnicamente. Tendo em vista seu estado físico, os combustíveis podem ser classificados em sólidos, líquidos ou gasosos. Os combustíveis sólidos são formados de C, H2,O2, S, H2O e cinzas. Sendo combustíveis apenas os 4 primeiros elementos. Entre os combustíveis sólidos temos os minerais

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Módulo 4 – Geração de Energia como turfas linhitos e carvão, e os não-minerais como lenha, serragem, bagaço de cana, de pinho etc. Os combustíveis líquidos também podem ser minerais ou não minerais. Os minerais são obtidos pela refinação do petróleo, destilação do xisto betuminoso ou hidrogenação do carvão. Os mais usados são a gasolina, o óleo diesel e o óleo combustível. Os combustíveis líquidos nãominerais são os álcoois e os óleos vegetais. Os combustíveis gasosos são divididos em naturais e artificiais. Entre os naturais destacam-se o gás dos pântanos CH4 e os gases de petróleo. Entre os artificiais temos o gasogênio, gás de alto-forno e gás de esgoto.

Basicamente, uma instalação a vapor é composta de bomba, caldeira, turbina e condensador. Tendo em vista a pressão na saída da turbina, temos as instalações a vapor de condensação e de contrapressão. Nas primeiras, a pressão do vapor na saída da turbina é menor que a atmosférica, nas segundas maior.

A combustão ocorre na caldeira, dentro da câmara de combustão onde são injetados o combustível e o comburente (ar). Após a combustão são retirados, como produto do processo, gases e cinzas constituídos de produtos não queimados. A liberação de energia térmica devido ao processo de combustão aquece a água na caldeira até evaporar. Uma vez na tubulação um superaquecedor eleva a temperatura do vapor aumentando assim a pressão para entrar na turbina. Ao passar pela turbina o vapor perde pressão e vai para o condensador onde volta ao estado líquido e é bombeado de volta para a caldeira.

A turbina é a máquina que transforma a energia da pressão do vapor em energia cinética de rotação e, através de um eixo de acoplamento, transmite essa energia para o gerador.

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2.4 TERMONUCLEARES

A usinas termonucleares funcionam utilizando o mesmo princípio de funcionamento das usinas térmicas, ou seja, as máquinas que entregam energia para o gerador são as turbinas a vapor (ver figura 2.4.1). O que torna essas usinas especiais é o combustível utilizado. Ao invés de uma reação química de combustão, o que acontece é uma liberação de energia a nível atômico.

Figura 2.4.1 – Funcionamento de uma usina nuclear

O núcleo do átomo foi descoberto em 1911 por Rutherford ao analisar as partículas liberadas pelos átomos, mas somente após a descoberta do nêutron por Chadwick e as reações feitas pelo casal Joliot-Curie em 1932 é que o núcleo começou a adquirir a sua real importância.

O tamanho do núcleo é muito pequeno. Ele ocupa o centro do átomo, e a carga total positiva, bem como quase toda a massa do átomo está no núcleo. Ele é formado basicamente por prótons e nêutrons. Os prótons possuem uma carga positiva numericamente igual a carga do elétron (1.602 x 10-19C). Os nêutrons são eletricamente neutros. As partículas do núcleo são chamadas de nucleons. As forças que mantém as partículas do núcleo unidas entre si são provenientes da repulsão eletrostática entre os prótons e de forças pequenas da natureza que aparecem dentro do núcleo que são chamadas de forças nucleares.

A energia acumulada por essas forças nucleares são chamadas de energia de coesão e é calculada pela equação de Einstein: E=MC2.

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Ao se determinar a massa do núcleo, descobrimos que ela é menor que a soma das massas dos seus componentes. A diferença entre as duas é chamada de erro de massa (∆m) e a energia de coesão fica E=∆m.C2

Uma parte da massa do núcleo é transformada em energia de coesão para manter as partículas do núcleo unidas. Essa energia é liberada durante a reação nuclear. Dividindo a energia de coesão pelo número de componentes do núcleo obtemos a energia média do núcleo, um valor que indica a estabilidade do núcleo. Se o valor da energia de coesão média é alto, então este núcleo é estável. Se esse valor é baixo, então ele é instável e tende a emitir alguns de seus componentes para tornar-se mais estável. Neste caso o núcleo é radioativo.

O elemento natural mais pesado que se encontra na Natureza é o urânio . A maior parte dele constitui-se de átomos estáveis , dotados de 92 prótons e 146 nêutrons . A soma dessas quantidades determina o número atômico 238 . Aproximadamente 1 % do urânio , porém , é constituído de átomos com apenas 143 nêutrons , o que resulta no número atômico 235 : estes são instáveis .

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