GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 GTDEE GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA APOSTILA REFERENTE A GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA SEUS EQUIPAMENTOS E TECNOLOGIAS APLICADAS. eng Elaborada pelo Eng. André Marcio Modesto em 01-maio-2011 Revisão 01

2 Conteúdo 1. INTRODUÇÃO: DEFINIÇÃO DE ENERGIA E POTÊNCIA ENERGIA POTÊNCIA HISTÓRIA DOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO? GERAÇÃO COGERAÇÃO CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO O SISTEMA DE GERAÇÃO MÁQUINA PRIMÁRIA TRANSFORMADORES CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO MÁQUINA PRIMÁRIA HIDRÁULICAS DIESEL TERMELÉTRICAS TERMONUCLEARES TURBINAS EÓLICAS GERADORES NOÇÕES DE APLICAÇÕES TIPOS DE ACIONAMENTOS PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO LIGAÇÕES NO SISTEMA TRIFÁSICO GERADORES COM EXCITAÇÃO POR ESCOVAS CARACTERÍSTICAS DO AMBIENTE POTENCIA NOMINAL... 43

3 4.8. CLASSES DE ISOLAMENTO REGIME DE SERVIÇO CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS PARA A CORRETA SELEÇÃO TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE FOÇA TIPOS DE TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES QUANTO À FINALIDADE TRANSFORMADORES QUANTO AOS ENROLAMENTOS TRANSFORMADORES QUANTO AOS TIPOS CONSTRUTIVOS COMO FUNCIONA O TRANSFORMADOR TIPOS DE LIGAÇÃO POTÊNCIAS DEFINIÇÕES IMPORTANTES E NORMALIZAÇÃO MANUTENÇÃO CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO COMANDO X MANOBRA PROTEÇÃO RELEAMENTO EQUIPAMENTOS DE MANOBRA PROTEÇÃO DE GERADORES PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES COORDENAÇÃO DIAGRAMAS ELÉTRICOS REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE SISTEMAS DE POTÊNCIA DIAGRAMA DE PROTEÇÃO ELÉTRICA REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 82

4 1. INTRODUÇÃO: Na história da sociedade, a energia elétrica, desde a sua descoberta, sempre ocupou lugar de destaque, tendo em vista a dependência da qualidade de vida e do progresso econômico da qualidade do produto e dos serviços relacionados à energia elétrica, que por sua vez dependem de como as empresas de eletricidade projetam, operam e mantêm os sistemas elétricos de potência. A eletricidade é a forma mais fácil de se transportar energia para a sua utilização nos processos de manufatura. Ela surgiu como forma de substituir a energia da máquina a vapor, pilastra mestra da atual revolução industrial. Com o crescimento do setor industrial no Brasil a partir do inicio dos anos 90, o aumento da demanda de energia elétrica superou a capacidade de crescimento do sistema de geração das concessionárias de energia levando o governo a considerar possibilidade de produção de energia elétrica por empresas do setor privado, com o objetivo de atrair investimentos no setor e assim desafogar o sistema elétrico Brasileiro.

5 1.1. DEFINIÇÃO DE ENERGIA E POTÊNCIA ENERGIA Os físicos definem a palavra energia como a quantidade de trabalho que um sistema é capaz de fornecer. Energia, de acordo com os físicos, não pode ser criada, consumida ou destruída. No entanto a energia pode ser transformada ou transmitida de diferentes formas: a energia cinética do movimento das moléculas de ar pode ser convertida em energia cinética de rotação pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica através de um gerador acoplado ao rotor da turbina. Em cada processo de conversão de energia, parte da energia da fonte é dissipada em forma de calor (energia térmica) em função do atrito entre as engrenagens, moléculas de ar e esforços mecânicos da máquina conversora. A relação entre a energia que entra no sistema de conversão e a energia que sai desse sistema chama-se rendimento. Costuma-se medir a capacidade de produção de energia em quilowatt hora ou megawatt hora durante um certo período de tempo. Note que a unidade de energia é quilowatt hora [kw.h], e não apenas quilowatt [kw]. Confundir estas unidades é um erro bem comum. Unidades de Energia 1 J [joule] = 1 [W.s] = [cal] 1 GJ [gigajoule] = 109 J 1 TJ [terajoule] = 1012 J 1 PJ [petajoule] = 1015 J 1 kwh [quilowatt hora] = 3,600,000 [joules] 1 toe [tonelada de óleo equivalente] = 7.4 barris de óleo cru na máquina primária = 7.8 barris no total de consumo final = 1270 m3 de gás natural 1 Mtoe [milhão de toneladas de óleo equivalente] = PJ

6 1.1.2 POTÊNCIA A potência elétrica é normalmente medida em watt [W], quilowatt [kw], megawatt [MW], etc. Ou seja, potência é a quantidade de energia transferida por unidade de tempo. A potência pode ser medida em qualquer instante de tempo, enquanto a energia precisa ser medida em um intervalo de tempo, como um segundo, uma hora, um ano, etc. Por exemplo, se uma turbina ou gerador possuem uma potência nominal de 600 quilowatts [kw], significa que aquela turbina pode produzir 600 quilowatts hora [kw.h] de energia por hora d e operação, trabalhando no ponto máximo de eficiência. Dizer, por exemplo, que um país como a Dinamarca possui 1.000MW de potência eólica instalada, não quer dizer quanta energia as turbinas produzem. As turbinas eólicas funcionam cerca de 75% das horas do ano, mas funciona com capacidade máxima apenas durante um numero limitado de horas no ano. Para calcular a quantidade de energia produzida por uma turbina eólica é necessário conhecer a distribuição da velocidade do vento por cada turbina. No caso acima citado, as turbinas retornam, na média, horas de funcionamento a plena carga por ano. Para calcular a energia total produzida multiplica-se os 1.000MW de potência instalada pelas horas de funcionamento a plena carga, que é igual a [MWh] ou 2,3 [TW.h] de energia. Em outras áreas, tais como a Escócia, ou o oeste da Irlanda, encontramos turbinas que trabalham, na média, horas a plena carga, e até mais. No entanto na Alemanha não são encontradas turbinas que trabalham mais que horas por ano a plena carga. As potências dos motores de automóveis são geralmente medidas em cavalos e não em kw. A unidade cavalo vapor da uma idéia intuitiva de quanto músculo o gerador ou motor possui, enquanto a energia da uma idéia de quanto um motor ou gerador trabalhou durante um período de tempo. Unidades de potência. 1 kw = CV

7 1.2. HISTÓRIA DOS SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA Muito da tecnologia hoje em uso deve-se a grandes pioneiros e empreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos são aqui registrados como tributo de reconhecimento pela grande contribuição. James Watt (Escocês) Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial. A unidade de potência útil foi dada em sua homenagem (watt). Alessandro Volta (Italiano) Em 1800 anunciou a invenção da bateria. A unidade de força eletromotriz foi criada em sua homenagem (volt). André Marie Ampère (Francês) Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e magnéticos a partir do anunciado de Oersted (Oe intensidade de campo magnético). Descobriu que as correntes agiam sobre outras correntes. Elaborou completa teoria experimental e matemática lançando as bases do eletromagnetismo. A unidade de corrente elétrica foi escolhida em sua homenagem (ampère).

8 Georg Simon Ohm (Alemão) Em 1827 enunciou a lei de Ohm. Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico em As unidades de resistência, reatância e impedância elétrica foram escolhidas em sua homenagem (ohm). Michael Faraday (Inglês) Físico e químico, em 1831 descobriu a indução eletromagnética. Constatou que o movimento de um imã através de uma bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente no condutor. Estabeleceu o princípio do motor elétrico. Considerado um dos maiores experimentalistas de todos os tempos. A unidade de capacitância é em sua homenagem (F). Joseph Henry (Americano) Descobriu a indutância de uma bobina. Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de indutância (henry).

9 Gustav Robert Kirchhoff (Alemão) Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e tensões. Thomas Alva Edison (Americano) Em 1879 inventou a lâmpada elétrica. Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico, máquina de escrever, etc. Criou a Edison General Electric Company. Foi sócio da General Electric Company. Instalou em 1882 a primeira usina de geração de energia elétrica do mundo com fins comerciais, na área de Wall Street, Distrito Financeiro da cidade de New York. A Central gerava em corrente contínua, com seis unidades geradoras com potência total de 700 kw, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. O primeiro projeto de êxito de central elétrica havia sido instalado no mesmo ano em Londres, com capacidade de geração para 1000 lâmpadas. William Stanley (Americano) Em 1885/6 desenvolveu comercialmente o transformador.

10 Nikola Tesla (Croata-Americano) Em 1888 inventou dos motores de indução e síncrono. Inventor do sistema polifásico. Responsável pela definição de 60 Hz como freqüência padrão nos EUA. A unidade para densidade de fluxo magnético é em sua homenagem (T). George Westinghouse (Americano) Inventor do disjuntor a ar. Comprou a patente do recém inventado transformador dos ingleses Lucien Gaulard e John D. Gibbs. Comprou a patente do motor elétrico de Tesla. Em 1886 organizou a Westinghouse Electric Company. Venceu a batalha das correntes contra Edison O QUE É GERAÇÃO E COGERAÇÃO? GERAÇÃO A geração de energia elétrica é a transformação de qualquer tipo de energia em energia elétrica. Esse processo ocorre em duas etapas. Na 1ª etapa uma máquina primária transforma qualquer tipo de energia, normalmente hidráulica ou térmica, em energia cinética de rotação. Em uma 2ª etapa um gerador elétrico acoplado à máquina primária transforma a energia cinética de rotação em energia elétrica.

11 Como exemplo pode tomar uma hidroelétrica onde uma turbina hidráulica transforma a energia potencial da água em desnível, em energia cinética de rotação que é transferida a um eixo acoplado a um gerador, tal como mostrado na figura COGERAÇÃO De acordo com a ANEEL (Agencia Nacional de Energia Elétrica), Cogeração de energia é definida como o processo de produção combinada de calor e energia elétrica (ou mecânica), a partir de um mesmo combustível, capaz de produzir benefícios sociais, econômicos e ambientais. A atividade de cogeração contribui efetivamente para a racionalização energética, uma vez que possibilita maior produção de energia elétrica e térmica a partir da mesma quantidade de combustível.

12 Diferentemente da geração, na cogeração a energia térmica, ou outro tipo de energia, é utilizado diretamente nos processos de manufatura, tais como fornos, caldeiras, entre outros. A cogeração é o reaproveitamento dos resíduos de energia dessas fontes para a geração de energia elétrica diminuindo, assim, as perdas e, conseqüentemente, aumentando o rendimento e o aproveitamento das fontes de energia. A cogeração é a forma mais eficiente de gerar calor e energia elétrica a partir de uma mesma fonte de energia. Comparando a utilização de combustível fóssil com a quantidade de calor que é normalmente gasta no processo de geração de energia, a cogeração alcança níveis de eficiência 3 vezes maior, podendo chegar a 4 vezes, do que no processo convencional de geração. No entanto a cogeração passou a ser utilizada há muito pouco tempo. No meio da década de 80, com o preço do gás natural relativamente baixo, a cogeração tornou-se uma alternativa atrativa como uma nova forma de geração de energia elétrica. De fato, a cogeração é um dos maiores responsáveis pela grande diminuição da construção de usinas hidrelétricas e termonucleares ocorrida na década de 80. Hoje a cogeração corresponde a mais da metade da capacidade das novas usinas instaladas na América do Norte na ultima década. Os equipamentos de cogeração podem utilizar outros combustíveis além do gás natural. Existem instalações em operação que utilizam madeira, bagaço de cana-de-açúcar, e outros combustíveis dependendo do local e disponibilidade. As implicações ambientais da cogeração são bem menores quando comparadas às do processo convencional de geração, não apenas pela sua inerente eficiência, mas também pelo seu caráter descentralizador. Isto se deve ao fato de ser impraticável o transporte de calor (energia térmica) a grandes distâncias, e os equipamentos de cogeração são localizados fisicamente próximos aos processos que utilizam calor. Desta forma a energia elétrica tende a ser gerada.

13 Para entender cogeração, é necessário saber que a forma mais convencional de se gerar energia é baseada na queima de um combustível para produzir vapor. É a pressão do vapor que gira a turbina e gera energia, em um processo inerentemente ineficiente. Por causa de um principio básico da física, pouco mais que um terço da energia liberada pela queima do combustível pode ser convertida em pressão de vapor para gerar energia elétrica. A cogeração, no entanto, utiliza esse excesso de calor, normalmente na forma de vapor, a uma temperatura relativamente baixa, liberada pelas turbinas. Esse vapor é utilizado em uma gama de aplicações das mais variadas, e efetivamente diminui a combustão de combustíveis a base de carbono, juntamente com todas as implicações ambientais que a queima desses combustíveis possui. Além da cogeração, há um grande número de tecnologias que fazem uso do vapor liberado pelas turbinas as baixas temperatura e pressão. Essas tecnologias são conhecidas como sistemas de ciclo combinado. Elas são mais eficientes que a geração convencional de energia, mas não tão eficiente quanto a cogeração.

14 CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ELÉTRICO BRASILEIRO O sistema de produção de energia elétrica do Brasil pode ser classificado como um sistema hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas hidrelétricas, que se distribuem em 14 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes regiões do país de maior atratividade econômica. São os casos das bacias dos rios Tocantins, Madeira, Parnaíba, São Francisco, Paraguai, Paranaíba, Grande, Paraná, Tietê, Paraíba do Sul, Paranapanema, Iguaçu, Uruguai e Jacuí onde se concentram as maiores centrais hidrelétricas. Os reservatórios nacionais situados em diferentes bacias hidrográficas não têm nenhuma ligação física entre si, sendo interligados por linhas de transmissão que funcionam como vasos comunicantes entre as bacias hidrográficas. [Fonte: Figura Integração eletroenergética no Brasil.

15 A capacidade de geração do Brasil em 2010 é de ,45 MW e para 2011 é de ,49 MW de potência, com um total de total empreendimentos em operação. A fim de vislumbrar a dimensão do sistema hidroenergético brasileiro. Os dez agentes de maior capacidade instalada no país são apresentados na Tabela 1.4.

16 2. O SISTEMA DE GERAÇÃO O sistema de geração é formado pelos seguintes componentes: Máquina primária, geradores, transformador e sistema de controle, comando e proteção MÁQUINA PRIMÁRIA Maquina primária que faz a transformação de qualquer tipo de energia em energia cinética de rotação para ser aproveitada pelo gerador. Por exemplo, a máquina que transforma a energia liberada pela combustão do gás em energia cinética é a turbina a gás. As principais máquinas primárias utilizadas hoje são motor Diesel, turbina hidráulica turbina a vapor, turbinas a gás e eólicas. Normalmente as centrais elétricas onde as máquinas primárias são turbinas a vapor, as centrais são classificadas em relação ao combustível utilizado para aquecer o vapor. Onde ocorre o processo de combustão as centrais são chamadas de termelétricas e onde ocorre o processo de fissão nuclear são chamadas de termonucleares TRANSFORMADORES Uma vez gerada a energia elétrica, existe a necessidade de se compatibilizar o nível da tensão de saída com a tensão do sistema ao qual o grupo gerador será ligado. O equipamento utilizado para elevar ou rebaixar o nível de tensão é o transformador. Desta forma um grupo gerador que gera energia a uma tensão de 13.8 kv pode ser ligado a uma linha de transmissão de 69kV desde que um transformador de 13,8/69 kv faça o ajuste da tensão 2.3. CONTROLE, COMANDO E PROTEÇÃO Para interligar um grupo gerador a uma rede de transmissão ou distribuição são necessários vários requisitos. Em primeiro lugar, a tensão de saída do gerador não pode variar mais que 10% para cima ou para baixo. O controle da tensão é feito através da excitatriz do próprio gerador que será estudado. No entanto, não basta apenas compatibilizar a tensão. É necessário que se faça o sincronismo com a rede antes de comandar o fechamento da linha. Para que estas medidas sejam tomadas, são necessários vários equipamentos de manobra e

17 3. MÁQUINA PRIMÁRIA 3.1. 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 jusante. 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. 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 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. Basicamente existem 2 tipos de turbinas hídricas: as turbinas de reação ou propulsão, e turbinas de ação ou impulso.

18 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. Turbina Francis: A Turbina Francis é uma turbina hidráulica que foi desenvolvida pelo engenheiro estadunidense James B. Francis em Turbinas Francis são adequadas para operar entre quedas de 40 m até 400 m. A Usina hidrelétrica de Itaipu assim como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, Usina Hidrelétrica de Furnas, Usina Hidrelétrica de Foz do Areia, AHE de Salto Pilão e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis com cerca de 100 m de queda de água. Figura

19 Figura 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, 11- tubo de sucção, 12- eixo, 3- flange de acoplamento, 14- servomotor das aletas ajustáveis. Foto de uma turbina Francis em corte A turbina Kaplan A turbina Kaplan é uma turbina hidráulica. É adequada para operar entre quedas até 60 m. A única diferença entre as turbinas Kaplan e a Francis é o rotor. Este assemelha-se a um propulsor de navio (similar a uma hélice). Um servomotor montado normalmente dentro do cubo do rotor, é responsável pela variação do ângulo de inclinação das pás. O óleo é injetado por um sistema de bombeamento localizado fora da turbina, e conduzido até o rotor por um conjunto de tubulações rotativas que passam por dentro do eixo. O acionamento das pás é conjugado ao das palhetas do distribuidor, de modo que para uma determinada abertura do distribuidor, corresponde um determinado valor de inclinação das pás do rotor. As Kaplans também apresentam uma curva de rendimento "plana" garantindo bom rendimento em uma ampla faixa de operação. A usina hidroelétrica de Três Marias funciona com turbina Kaplan.

20 Figura Figura 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, 11- eixo, 12- flange de acoplamento. A turbina Pelton A turbina Pelton é uma turbina hidráulica de ação, isto é, funciona à pressão atmosférica. É constituída por uma roda e um ou mais injectores, cuja função é transformar a energia de pressão do escoamento em energia cinética, orientando esse mesmo escoamento para a roda. É mais adequada para grandes quedas úteis ( entre os 350 m até 1100 m). Este modelo de turbina opera com velocidades de rotação maiores que as outras, e tem o rotor de característica bastante distintas. Os jactos de água provinientes dos injectores ao chocarem com as pás do rotor (em forma de dupla colher) geram o impulso que faz com que a roda se mova. Temos uma desse sistema de turbina em funcionamento na usina de Henry Borden em Cubatão SP na Serra do Mar.

21 Figura Figura Corte transversal em uma turbina Pelton de dois injetores, de eixo horizontal a 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, 11- freio de jato, 12- agulha, 13-cruzeta Pelton, 14- defletor DIESEL 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.

22 Figura Figura 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 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 classificados de várias maneiras, entre as quais algumas merecem destaque: 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.

23 Maior Motor a Diesel do Mundo. O maior motor a diesel estacionário do mundo utilizado em navios, mas quem também pode ter sua aplicação em centrais elétricas. É fabricado pela companhia Wartsila-Sulzer, sediada em Helsinque, na Finlândia. Esses motores são usados nos maiores navios de transporte de contêineres do mundo, como o Emma Maersk. Figura o Motor sendo Transportado.

24 Figura Detalhe da Arvore de Transmissão (Vira Brequim). Dados Técnicos: Versão de 14 Cilindros Cilindrada: litros Nº de Válvulas: 2 por Cilindro Curso do Cilindro: mm Diâmetro do Cilindro: 960 mm Peso: 2300 toneladas (O Virabrequim pesa 300 toneladas) Comprimento: 27 metros Altura: 13 metros Rotação: RPM Potência Máxima: HP - 81,22MW a 102 RPM Consumo na Potencia Máxima: 13.7 toneladas de Diesel por hora

25 3.3. TERMELÉTRICAS As máquinas a vapor foram às 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 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 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

26 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 TERMONUCLEARES As 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 4.4.1). 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 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 à carga do elétron (1.602 x C). Os nêutrons são eletricamente neutros. As partículas do núcleo são chamadas de núcleos. 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.

27 A energia acumulada por essas forças nucleares são chamadas de energia de coesão e é calculada pela equação de Einstein: E=MC TURBINAS EÓLICAS Para se entender o funcionamento da turbina eólica faz-se necessário conhecer um pouco da origem da energia transformada em eletricidade por esses equipamentos que, apesar de seu princípio de funcionamento aparentemente simples, são hoje o que existe de mais moderno na área de geração de energia elétrica para fins comerciais. Toda a energia renovável (exceto a geotérmica e a das marés), bem como a energia dos combustíveis fósseis, é proveniente do Sol. O sol irradia 1014 kwh por hora de energia para a terra. Cerca de 1 a 2% dessa energia proveniente do Sol é convertida em energia eólica. Isto corresponde a cerca de 50 a 100 vezes mais do que a energia convertida em biomassa por todas as plantas do planeta. Diferenças de temperatura fazem com que o ar circule. As regiões em volta do equador, na latitude 0o, são mais atingidas pelo calor do sol do que o restante do globo. Se não houvesse a rotação da terra o ar simplesmente circularia na direção dos pólos a 10 km de altitude, desceria e retornaria ao equador. Uma vez que o globo está rodando, todo o movimento do hemisfério norte é dirigido para a direita, se observarmos este fenômeno em uma posição fixa olhando para o equador (no hemisfério sul ela tende para a esquerda). Essa força aparente de curvatura é conhecida como força de Coriolis (nome do matemático francês Gustave Gaspard Coriolis ). A força de Coriolis é um fenômeno visível. Por exemplo, os trilhos das estradas de ferro desgastam mais de um lado que do outro, os rios são mais profundos em uma margem que na outra (O lado depende de em qual hemisfério você está). Isto também funciona para os ventos. No hemisfério norte, por exemplo, o vento tende a rodar no sentido anti-horário, enquanto no hemisfério sul, é no sentido horário. Estes dois fatores (as diferenças de temperatura e a força de Coriolis) aliados à geografia, que impõe obstáculos à passagem dos ventos e considera as costas dos continentes, definem o movimento dos ventos. Uma turbina eólica obtém potência convertendo a força dos ventos em um torque atuando nas pás do rotor. A quantidade de energia que o vento transfere para o rotor depende da densidade do ar, da área do rotor, e da velocidade do vento.

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