CARLOS ALBERTO SAMWAYS ELTON MASSANEIRO SUCEK MAURO HENRIQUE BRITO DE QUEIROZ

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1 CARLOS ALBERTO SAMWAYS ELTON MASSANEIRO SUCEK MAURO HENRIQUE BRITO DE QUEIROZ ESTUDO DE IMPLANTAÇÃO DE UMA CENTRAL HIDRELÉTRICA DE PEQUENO PORTE NA ÁREA URBANA DE PONTA GROSSA/PR CURITIBA 2004

2 2 CARLOS ALBERTO SAMWAYS ELTON MASSANEIRO SUCEK MAURO HENRIQUE BRITO DE QUEIROZ ESTUDO DE IMPLANTAÇÃO DE UMA CENTRAL HIDRELÉTRICA DE PEQUENO PORTE NA ÁREA URBANA DE PONTA GROSSA/PR Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Eletrotécnica, Departamento de Eletrotécnica, do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná. Orientador: Profa. Maria de Fátima R. R. Cabreira, Dra./DAELT Co-orientador: Jorge Carlos Correa Guerra, LD / DAGEE CURITIBA 2004

3 3 CARLOS ALBERTO SAMWAYS ELTON MASSANEIRO SUCEK MAURO HENRIQUE BRITO DE QUEIROZ ESTUDO DA IMPLANTAÇÃO DE UMA CENTRAL HIDRELÉTRICA DE PEQUENO PORTE NA ÁREA URBANA DE PONTA GROSSA / PR Este Projeto Final de Graduação foi julgado e aprovado como requisito parcial para obtenção do tıtulo de Engenheiro Eletricista pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná. Curitiba, 23 de setembro de 2004 Prof. Paulo Sérgio Walenia, Esp. Coordenador de Curso Engenharia Industrial Elétrica - Eletrotécnica Prof. Ivan Eidt Colling, Dr. Coordenador de Projeto Final de Graduação Engenharia Industrial Elétrica - Eletrotécnica Prof. Maria de Fátima R. R. Cabreira, Dra. Orientadora Prof. Jorge Carlos Corrêa Guerra, LD. Co-orientador Prof. Antônio Ivan Bastos Sobrinho, Eng. Esp. Prof. Saul Hirsch, Eng.

4 Às pessoas que tornaram essa jornada possível. 2

5 14 AGRADECIMENTOS A Deus, por manter em nossas mentes, a certeza de que não há obstáculo que nos empeça de vencer, apesar das grandes dificuldades. A nossas famílias, pelo apoio incondicional, cada um à sua maneira, sempre com carinho e respeito. Às nossas companheiras, um doce alento em momentos tortuosos e motivo para buscarmos sempre algo mais. Aos nossos mestres, Maria de Fátima e Guerra, pela sólida condução neste projeto e presença constante. Aos grandes profissionais, Joel Larrocca Júnior e Carlos Balarin pela ajuda com os materiais sem os quais este trabalho não se realizaria. Finalmente às pessoas, que, de alguma forma nos ajudaram, e que terão sempre nossa gratidão.

6 14 "A mente que se abre a uma nova idéia jamais volta ao seu tamanho original. Albert Einstein "...Não há coisa melhor do que alegrar-se o homem nas suas obras, por que essa é a sua recompensa..." Eclesiastes, 3:22

7 14 RESUMO Este trabalho apresenta um estudo de viabilidade técnica e econômica para implantação de uma micro central hidroelétrica na região urbana de Ponta Grossa. O estudo iniciou-se com a pesquisa e avaliação de possíveis pontos que poderiam ser aproveitados para geração de energia. Definido o ponto, realizou-se o levantamento do potencial de geração, através dos dados de vazão e altura de queda. Posteriormente ao cálculo do potencial, escolheu-se a tecnologia a ser utilizada, que neste caso, foi a de bombas funcionando como turbinas. Esta tecnologia vem sendo utilizada para pontos com potencial inferior a 50 kw por tratar-se de uma solução simples com tecnologia economicamente acessível, se comparada a tecnologia de turbinas tradicionais. No caso deste estudo, escolheu-se um parque linear para implantação da central com potência de 13 kw, sendo destinada para a iluminação do próprio ambiente, revertendo-se em um grande benefício aos usuários. Concluiuse com esse trabalho, que, a tecnologia de bombas funcionando como turbinas, é uma excelente alternativa para pontos de pequenos potenciais, facilmente encontrados em nosso país. PALAVRAS CHAVE: Micro central hidrelétrica, bomba funcionando como turbina.

8 14 ABSTRACT This work presents the technical and economical viability study to the implantation of a micro hydro electrical power plant in the urban area of Ponta Grossa city. The study began with the survey, and study, of certain points that could be useful for the electrical generation. Decided the point, the next step was the determination of the hydro electrical potential, calculated with the sewage and fall altitude data. After that, the technology chosen was necessary, and, in this case, was the pumps as turbines. This equipment has been used in potentials until 50 kw, because it s a simple solution and economically accessible, if compared with normal turbines. In this study, a linear park was chosen to the implantation of the 13 kw power plant. The destination of this energy is the illumination of the park, becoming a great benefit to the population. It was concluded with this study that, the pumps as turbines technology is an excellent alternative for small hydraulic potentials, easily found in our country. KEY-WORDS: micro hydroelectric power, pumps as turbine

9 14 LISTAS DE TABELAS TABELA 1 COMPARAÇÕES ENTRE BOMBAS E TURBINAS LISTA DE GRÁFICOS GRÁFICO 1 COEFICIENTE DE VAZÃO E ALTURA VERSUS COEFICIENTE DE ROTAÇÃO ESPECÍFICA GRÁFICO 2 APLICAÇÃO DO GRÁFICO COEFICIENTE DE VAZÃO E ALTURA VERSUS COEFICIENTE DE ROTAÇÃO ESPECÍFICA 78 GRÁFICO 3 CURVA DE DESEMPENHO DA BOMBA CENTRÍFUGA ABS SÉRIE NB LISTA DE SIGLAS ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica ANSI - American National Standards Institute BFT - Bomba Funcionando como Turbina CCC - Conta de Consumo de Combustível CEFET/PR - Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná CERPCH - Centro Nacional de Referência em Pequenos Aproveitamentos Hidroenergéticos CGH - Central Geradora Hidrelétrica COPEL - Companhia Paranaense de Energia ELETROBRÁS - Centrais Elétricas Brasileiras GPS - Global Positioning System IPLAN - Instituto de Planejamento Urbano de Ponta Grossa ISO - International Organization for Standardization NBR - Normas Brasileiras PCH - Pequena Central Hidrelétrica PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica SIG - Sistemas de Informações Geográficas UEPG - Universidade Estadual de Ponta Grossa UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

10 15 LISTA DE ILUSTRAÇÕES ILUSTRAÇÃO 1 POTENCIAL TÉCNICO DE APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO ESTIMADO NO MUNDO ILUSTRAÇÃO 2 POTENCIAL HIDRELÉTRICO ESTIMADO NO BRASIL... ILUSTRAÇÃO 3 TAXA DE APROVEITAMENTO DO POTENCIAL HIDRELÉTRICO BRASILEIRO... ILUSTRAÇÃO 4 DISTRIBUIÇÃO DO APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO POR PEQUENAS CENTRAIS NO BRASIL... ILUSTRAÇÃO 5 BARRAGEM DE UMA CENTRAL GERADORA... ILUSTRAÇÃO 6 ADUÇÃO EM CANAL ABERTO ILUSTRAÇÃO 7 ADUÇÃO EM CANAL EM FORMA DE TÚNEL ILUSTRAÇÃO 8 TUBULAÇÃO INSTALADA EM UMA ENCOSTA..... ILUSTRAÇÃO 9 GRUPO TURBINA GERADOR PARA CGH... ILUSTRAÇÃO 10 GRUPO TURBINA GERADOR PARA PCH... ILUSTRAÇÃO 11 GRUPO TURBINA GERADOR PARA PCH... ILUSTRAÇÃO 12 TURBINA KAPLAN... ILUSTRAÇÃO 13 TURBINA FRANCIS..... ILUSTRAÇÃO 14 TURBINA PELTON 120 kw... ILUSTRAÇÃO 15 DETALHE DE UMA TURBINA TANGENCIAL... ILUSTRAÇÃO 16 TURBINA FRANCIS 650 kw..... ILUSTRAÇÃO 17 TURBINA FRANCIS 725 kw..... ILUSTRAÇÃO 18 TURBINA FRANCIS 600 kw..... ILUSTRAÇÃO 19 TURBINA FRANCIS 440 kw..... ILUSTRAÇÃO 20 VISTA LATERAL DE UMA INSTALAÇÃO COM TURBINA FRANCIS...; ILUSTRAÇÃO 21 DETALHES DE TURBINAS KAPLAN... ILUSTRAÇÃO 22 TURBINA PELTON 120 kw..... ILUSTRAÇÃO 23 DETALHE DE UMA TURBINA PELTON... ILUSTRAÇÃO 24 OPERAÇÃO COMO BOMBA E COMO TURBINA... ILUSTRAÇÃO 25 BOMBAS CENTRÍFUGAS... ILUSTRAÇÃO 26 CARACTERÍSTICA ALTURA EM FUNÇÃO DO FLUXO... ILUSTRAÇÃO 27 ALTURA DA BOMBA EM RELAÇÃO AO NÍVEL DE CAPTAÇÃO... ILUSTRAÇÃO 28 ACOPLAMENTO DO GERADOR À BOMBA... ILUSTRAÇÃO 29 ESQUEMA DE MONTAGEM DOS TUBOS E CONEXÕES.. ILUSTRAÇÃO 30 ARROIO RIO VERDE... ILUSTRAÇÃO 31 PLANTA DE PAISAGISMO DO ARROIO OLARIAS..... ILUSTRAÇÃO 32 ARROIO MADUREIRA... ILUSTRAÇÃO 33 VISTA PANORÂMICA DO ARROIO MADUREIRA..... ILUSTRAÇÃO 34 PLANTA DE PAISAGISMO DO ARROIO MADUREIRA... ILUSTRAÇÃO 35 PORTAL DA ENTRADA PRINCIPAL... ILUSTRAÇÃO 36 PASSARELA SOBRE O CANAL..... ILUSTRAÇÃO 37 ACESSO À PASSARELA... ILUSTRAÇÃO 38 PORTAL DO PARQUE... ILUSTRAÇÃO 39 DETALHE DA PRAÇA E CANTEIRO... ILUSTRAÇÃO 40 DETALHE DA PRAÇA E TRILHA... ILUSTRAÇÃO 41 DETALHES DAS ESCADARIAS..... ILUSTRAÇÃO 42 DETALHE DO CANTEIRO..... ILUSTRAÇÃO 43 DETALHE DA TRILHA

11 14 ILUSTRAÇÃO 44 DETALHE DA TRILHA SOB A PASSARELA ILUSTRAÇÃO 45 VISTA SUPERIOR DA TRILHA... ILUSTRAÇÃO 46 TRILHA AO LADO DO CANAL... ILUSTRAÇÃO 47 TRILHA AO REDOR DO RESERVATÓRIO... ILUSTRAÇÃO 48 ACESSO SECUNDÁRIO AO PARQUE... ILUSTRAÇÃO 49 PLANTA DE PAISAGISMO DESTACANDO O RESERVATÓRIO... ILUSTRAÇÃO 50 VISTA PANORÂMICA DO RESERVATÓRIO... ILUSTRAÇÃO 51 DETALHES DA BARRAGEM..... ILUSTRAÇÃO 52 VISTA SUPERIOR DO RESERVATÓRIO... ILUSTRAÇÃO 53 OBRA DE SAÍDA DO CANAL... ILUSTRAÇÃO 54 OBRA DE SAÍDA DO CANAL..... ILUSTRAÇÃO 55 DETALHE DAS GRELHAS DE ACESSO... ILUSTRAÇÃO 56 DETALHE DO MECANISMO DE CONTROLE DA COMPORTA... ILUSTRAÇÃO 57 VISTA LATERAL DO RESERVATÓRIO... ILUSTRAÇÃO 58 ENTRADA DO CANAL..... ILUSTRAÇÃO 59 CAIXA DE INSPEÇÃO DO FILTRO BIOLÓGICO... ILUSTRAÇÃO 60 BOMBA ABS SÉRIE NB... ILUSTRAÇÃO 61 COTOVELO DE 90 O... ILUSTRAÇÃO 62 TUBO CÔNICO..... ILUSTRAÇÃO 63 REPRESENTAÇÃO DOS TUBOS E CONEXÕES... ILUSTRAÇÃO 64 GERADOR WEG LINHA G... ILUSTRAÇÃO 65 COMPONENTES DO GERADOR..... ILUSTRAÇÃO 66 CONJUNTO BOMBA-GERADOR..... ILUSTRAÇÃO 67 SUGESTÃO DE INSTALAÇÃO PARA O CONJUNTO BOMBA-GERADOR... ILUSTRAÇÃO 68 COMPRIMENTO DO CONJUNTO... ILUSTRAÇÃO 69 CASA DE MÁQUINAS... ILUSTRAÇÃO 70 VISTA LATERAL DA CASA DE MÁQUINAS... ILUSTRAÇÃO 71 VISTA FRONTAL DA CASA DE MÁQUINAS... ILUSTRAÇÃO 72 VISTA INTERNA DA CASA DE MÁQUINAS... ILUSTRAÇÃO 73 PARQUE MUNICIPAL MADUREIRA

12 14 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO REFERENCIAL TEÓRICO CONCEITOS BÁSICOS Energia Hidráulica Bacia Hidrográfica Vazão Regulação Potencial Hidrelétrico APROVEITAMENTO DOS RECURSOS HÍDRICOS Contexto Geral Estimativa dos Recursos Hídricos Disponíveis no Mundo O Potencial Hidrelétrico no Brasil Aproveitamento Hidrelétrico para Usinas de Pequeno Porte no Brasil TECNOLOGIAS PARA APOVEITAMENTO DOS RECURSOS HÍDRICOS Usinas a Fio D água Usinas com Reservatório de Acumulação CENTRAIS GERADORAS DE PEQUENO PORTE Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH Centrais Geradoras Hidrelétricas - CGH Classificação das Centrais Geradoras de Pequeno Porte INCENTIVOS GOVERNAMENTAIS PARA CENTRAIS GERADORAS DE PEQUENO PORTE COMPONENTES E EQUIPAMENTOS DE USINAS HIDRELÉTRICAS Barragens Tomada D água Equipamentos de tomada d água Órgãos Adutores Componentes de órgãos adutores Geradores Reguladores de Velocidade Turbinas Breve histórico Classificação Tipos de turbinas Bombas funcionando como turbinas - BFT Contexto Geral Características Seleção de uma bomba para funcionar como turbina A QUESTÃO AMBIENTAL NA GERAÇÃO POR HIDRELÉTRICAS ANÁLISE ECONÔMICA Investimentos DIRETRIZES PARA EMPREENDIMENTOS EM CENTRAIS HIDRELÉTRICAS Estimativa do Potencial Hidrelétrico Estudo do Inventário Hidrelétrico Estudo de Viabilidade GEOPROCESSAMENTO METODOLOGIA ÁREAS DE ESTUDO MATERIAIS DE SUPORTE MÉTODOS UTILIZADOS Levantamento geral de dados A escolha do local da usina Levantamento do potencial hidrelétrico, queda e vazão do local Especificação dos equipamentos Viabilidade econômica do projeto... 66

13 4 RESULTADOS DO ESTUDO LOCAIS PRÉ-SELECIONADOS O LOCAL ESCOLHIDO ESCOLHA DA TECNOLOGIA DIMENSIONAMENTO DOS EQUIPAMENTOS AS INSTALAÇÕES ASPECTOS ECONÔMICOS CONCLUSÕES A EVOLUÇÃO DO TEMA CONTRIBUIÇÕES DESTE PROJETO DIFICULDADES ENCONTRADAS OS RESULTADOS DO ESTUDO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES

14 13 1 INTRODUÇÃO A existência da sociedade contemporânea sem a eletricidade é absolutamente impensável. Tratada inicialmente como mera curiosidade ou, na melhor das hipóteses, como fonte de energia complementar ao carvão e ao vapor, a eletricidade passou nos últimos cento e trinta anos à categoria de principal matriz energética da nossa civilização. O século XIX foi marcado por grandes descobertas nas ciências e na indústria, desenvolvendo novas tecnologias e criando novos horizontes à atuação humana. Por conta desta evolução, novas fontes de energia surgiram como alternativa ao carvão e ao vapor. O mundo então conhecera a hidroeletricidade, o petróleo e o gás. Com o desenvolvimento da sociedade, ascendente foi à aquisição de produtos movidos à eletricidade, corroborando para que ocupasse espaço em setores importantes da sociedade, despertando uma necessidade crescente de geração de energia elétrica. Cada país adotou o modelo de geração mais adequado à sua realidade. Muitos investiram nas usinas nucleares e termelétricas. No caso do Brasil, suas condições naturais com grandes e abundantes bacias hidrográficas, favoreceram a implantação de usinas hidrelétricas. A hidroeletricidade corresponde atualmente à cerca de 42% da nossa matriz energética e a 90% da energia elétrica produzida, segundo dados da Agência Nacional de Energia Elétrica, fato que consolida o Brasil como um dos maiores produtores de hidroeletricidade do mundo. A predominância da hidroeletricidade na matriz energética brasileira foi atingida aproveitando os melhores potenciais hidrelétricos através de grandes empreendimentos. Estes empreendimentos não encontraram barreiras legais à sua concretização e, desta forma, dezenas de grandes usinas hidrelétricas entraram em operação. A propósito de nossa evolução, novos conceitos e valores foram introduzidos à sociedade; um deles é a preservação do meio ambiente. Inéditas e modernas leis foram introduzidas para frear ou ao menos amenizar os impactos da civilização sobre o meio ambiente, refletindo diretamente sobre os grandes empreendimentos

15 14 em rios, conhecidamente danosos ao ecossistema local. Os grandes pontos com potencial hidrelétrico remanescentes tornaram-se inviáveis para novos aproveitamentos. O fator ambiental aliado às necessidades de geração e ao baixo volume de recursos financeiros para grandes obras no setor energético, evidenciou aos especialistas uma nova modalidade de projeto, as centrais hidrelétricas de pequeno porte. Estas centrais possuem diversas vantagens sobre as de grande porte, como menor tempo de construção, representando um rápido retorno aos seus investidores, além de apresentar impactos ambientais em menor escala, por não necessitar de grandes reservatórios. Não se caracteriza a obrigatoriedade de ser instalada em rios com grandes cursos de água, viabilizando sua construção em áreas urbanas onde as exigências de otimização de espaço são necessidades atuais. A possibilidade de instalação em locais próximos às áreas urbanas abrange uma maior concentração de consumidores, diminuindo os custos com transmissão, em um processo chamado de geração distribuída 1. Existem hoje no Brasil, 244 pequenas centrais operando e produzindo juntas 1212 MW, representando 1,39% do total da geração. Apenas no Paraná, o segundo estado com maior número de centrais deste tipo, operam 29 usinas produzindo kw (CNDPCH, 2004). Programas governamentais de fomento a este tipo de empreendimento surgem como impulsionadores ao aumento do número de pequenas usinas no Brasil. Dezenas de novos projetos esperam a homologação para entrar em operação e isto tende a se tornar uma constante nos próximos anos. Contudo, novos projetos dependem da identificação de lugares com potencial e características próprias para se tornarem viáveis. No estado do Paraná, destaca-se a região de Ponta Grossa, devido às suas condições geográficas e hidrológicas favoráveis, como relevo com acentuados declives e regimes de chuvas constantes, além de ser uma região com elevado desenvolvimento sócio-econômico. 1 Geração distribuída refere-se à geração elétrica produzida no próprio local de consumo e/ou próxima a um centro de carga, independentemente do porte, da propriedade, da fonte de energia ou da tecnologia. A geração distribuída contrasta com a geração centralizada, formada de centrais de grande porte, interligadas aos consumidores através de longas linhas de transmissão. A geração distribuída envolve co-geradores, geradores de emergência, geradores para operação no horário de ponta, painéis fotovoltáicos, geradores eólicos, PCH - Pequenas Centrais Hidrelétricas, e outros (PORTALGD,2004).

16 15 Analisando os arroios que cortam a cidade de Ponta Grossa percebe-se que há regiões isoladas carentes de infra-estrutura elétrica básica, como iluminação, gerando insegurança e desconforto. Surge então, nestes locais, um filão para projetos de geração distribuída. Partindo da premissa de que não cabe a este estudo a missão de projeto definitivo para a implantação de centrais geradoras, mas apenas servir de guia mostrando as possibilidades e tecnologias disponíveis, de forma didática, simples e objetiva, propõe-se elaborar um estudo de viabilidade técnica e econômicofinanceira para a implantação de uma central geradora de energia elétrica de pequeno porte, em arroios localizados na região urbana de Ponta Grossa Paraná. Projetos desta natureza justificam-se pelo forte apelo social, ambiental e com possibilidade de abertura de novos horizontes no meio acadêmico em relação ao tema geração de energia, despertando valores e conceitos até então desconhecidos ou pouco relevantes. Os objetivos específicos deste estudo são: a) conhecer os arroios da cidade e verificar seus fatores impulsores e restritivos; b) definir o melhor ponto para a implantação da central geradora de energia elétrica; c) verificar potenciais consumidores da energia produzida; d) elaborar o projeto básico de engenharia do empreendimento; e) elaborar o estudo de viabilidade econômica do empreendimento. Por tratar-se de um projeto de natureza qualitativa, cujos objetivos não são medir, tampouco ensaiar as técnicas por ventura abordadas, buscou-se tratar os temas de maneira teórica, evitando assumir posturas que sugerissem a necessidade de dados reais comprobatórios às conclusões do estudo. Para compreensão dos temas abordados neste projeto, apresenta-se a seguir, um capítulo dedicado a teorizar os principais conceitos. Na seqüência, apresenta-se o capítulo 3 que descreve a metodologia aplicada no trabalho para dimensionamento dos equipamentos da central geradora, procedimentos relativos à parte econômica, além de apresentar a região de estudo e materiais de apoio empregados nos processos.

17 16 O capítulo 4 aborda, sobretudo, os resultados do estudo. É realizada a detalhada descrição do local escolhido para a central geradora, bem como os equipamentos que a constitui. Precedendo os resultados, o capítulo 5 trata das considerações finais do projeto. Aborda, sobretudo, as contribuições que julgamos relevantes e as dificuldades encontradas, entre outros assuntos de real interesse.

18 17 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 CONCEITOS BÁSICOS Apresentam-se a seguir alguns conceitos básicos sobre os temas comumente abordados neste trabalho, relacionados à geração de energia hidrelétrica Energia Hidráulica A energia hidráulica é uma forma de energia renovável, que aproveita as energias potencial e cinética acumuladas em rios ou lagos e as transforma em energia mecânica para movimentar uma turbina hidráulica. Esta energia hidráulica é resultante do ciclo da água através da ação do sol, que provoca a constante evaporação das águas dos oceanos, solos, florestas e de leitos de rios e lagos. A água retorna à terra na forma de chuva, ou neve, freqüentemente em latitudes mais elevadas. A energia potencial acumulada nas grandes altitudes vai se transformando em energia cinética, de acordo com o aumento da velocidade pelo desnível, e também vai se dissipando no seu caminho descendente através das corredeiras dos rios, curvas e obstáculos, transformando-se, finalmente, em calor para o meio ambiente. O que a geração hidrelétrica faz é interceptar esta água descendente e converter sua energia hidráulica em energia elétrica, através de hidrogeradores. A energia hidráulica é atualmente a única fonte renovável explorada comercialmente de forma intensiva no mundo. Ela assegura aproximadamente um quinto da produção mundial de eletricidade e tem um papel significativo no abastecimento mundial de energia (REIS; SILVEIRA, 2001).

19 Bacia Hidrográfica Bacia hidrográfica é uma área da superfície terrestre capaz de armazenar água das precipitações meteorológicas e conduzi-las a um curso de água. Para o dimensionamento correto de uma bacia hidrográfica devem-se realizar estudos em áreas a montante 2 do local onde se quer determinar o aproveitamento. São vários os fatores associados às bacias hidrográficas, com reflexo direto no fluxo d água do rio e seus afluentes, como sua área, topologia do solo (declividades, depressões) e condições geológicas como vegetação, cultivos e geologia. (REIS; SILVEIRA, 2001) Vazão Uma das principais características para aproveitamento de um curso d água é a sua vazão. A vazão de um rio é o volume de água que passa através de sua seção reta por unidade de tempo. Normalmente é expressa em m 3 /s. A vazão, juntamente com a queda de água em um determinado ponto do rio, são fatores preponderantes para a determinação do seu potencial elétrico (REIS; SILVEIRA, 2001) Regulação Se um projeto fosse baseado unicamente na vazão de um rio, tornar-se-ia inviável, pois, devido às características de flutuação da vazão, apenas uma parte pouco significativa da água poderia ser utilizada na maior parte do tempo. Visando otimizar o uso da água, torna-se conveniente o uso de barragens 2 Refere-se a áreas que se encontram do lado da nascente (de um rio).

20 19 para seu armazenamento, resultando assim em vazões médias mais altas quando comparadas às vazões naturais. A esta nova vazão média dá-se o nome de vazão reguladora. O processo de controle da vazão de um rio, num determinado ponto, através da construção de barragens, denomina-se regulação do rio. (REIS; SILVEIRA, 2001) Potencial Hidrelétrico Essa terminologia está associada à energia cinética ou potencial das águas dos rios passíveis dos aproveitamentos hidrelétricos. É transformada em energia mecânica, e posteriormente em elétrica através de equipamentos específicos para este fim (SCHREIBER, 1987). 2.2 O APROVEITAMENTO DOS RECURSOS HÍDRICOS Contexto Geral No Brasil, água e energia têm uma forte e histórica interdependência, de forma que a contribuição da energia hidráulica ao desenvolvimento econômico do país tem sido expressiva. Seja no atendimento das diversas demandas da economia (atividades industriais, agrícolas, comerciais e de serviços), como nas necessidades da própria sociedade, melhorando o conforto das habitações e a qualidade de vida das pessoas, desempenhando papel importante na integração e desenvolvimento de regiões distantes dos grandes centros urbanos e industriais. A participação da energia hidráulica é de cerca de 90% de toda a eletricidade produzida no país. Apesar da tendência de aumento de outras fontes, devido a restrições socioeconômicas e ambientais de projetos hidrelétricos, e aos avanços tecnológicos no aproveitamento de fontes não-convencionais, tudo indica

21 20 que a energia hidráulica continuará sendo, por muitos anos, a principal fonte geradora de energia elétrica do Brasil. Embora os maiores potenciais remanescentes estejam localizados em regiões com fortes restrições ambientais e distantes dos principais centros consumidores, estima-se que, nos próximos anos, pelo menos 50% da necessidade de expansão da capacidade de geração seja de origem hídrica (ANEEL, 2002) Estimativa dos Recursos Hídricos Disponíveis no Mundo Uma primeira estimativa da quantidade de energia hidráulica disponível no mundo pode ser feita através da simples aplicação da fórmula de cálculo da energia potencial, EP: EP = M. g. H (2.1) onde: M é a massa [g]; G é a aceleração da gravidade [m/s 2 ]; H é a altura [m]. A precipitação média anual na terra, se mensurada em massa, é da ordem de 1017 kg e a altura média da superfície terrestre (em relação ao nível do mar) é de 800 m. Portanto, a energia hidráulica potencial é da ordem de 200 mil TWh por ano, o que equivale a duas vezes o consumo médio anual de energia primária no mundo. Essa estimativa é baseada em suposições, pois, na prática é impossível o aproveitamento de todo esse volume de água. Primeiramente, em virtude da impossibilidade de acesso à parte desse volume e da evaporação, antes que possa ser utilizado. Em segundo lugar, porque há perdas de energia devido à turbulência e fricção da água nos canais e tubulações, de modo que a altura efetiva tende a ser bastante inferior à altura real. Há, ainda, perdas no processo de conversão, embora o sistema "turbogerador" seja um dos métodos mais eficientes de aproveitamento de energia primária (os modelos mais eficientes chegam a ter um rendimento de 90%).

22 21 Estima-se, assim, que apenas um quarto do referido volume de água precipitada esteja efetivamente disponível para aproveitamento hidráulico. Desse modo, a energia hidráulica disponível na Terra é de aproximadamente 50 mil TWh por ano, o que corresponde, ainda assim, a cerca de quatro vezes a quantidade de energia elétrica gerada no mundo atualmente. Essa quantia supostamente disponível de energia hidráulica, também denominada recurso total, é ainda irreal do ponto de vista técnico. A quantidade efetivamente disponível depende das condições locais do aproveitamento (como a topografia e o tipo de chuva) e do tempo efetivo de operação do sistema. Teoricamente, uma usina poderia operar continuamente (8.760 mil horas por ano), isto é, com um fator de capacidade de 100%. Na prática, porém, esse índice é da ordem de 40% apenas, em função de problemas operacionais e da necessidade de manutenção. Desse modo, estima-se que a energia hidráulica efetivamente disponível na Terra, isto é, o potencial tecnicamente aproveitável, varie de 10 mil a 20 mil TWh por ano. A ilustração a seguir ilustra o potencial técnico de aproveitamento da energia hidráulica no mundo. Como se observa, os maiores potenciais estão localizados na América do Norte, antiga União Soviética, China, Índia e Brasil. O Continente Africano é o que apresenta os menores potenciais (ANEEL, 2002) O Potencial Hidrelétrico do Brasil ILUSTRAÇÃO 1 POTENCIAL TÉCNICO DE APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO ESTIMADO NO MUNDO FONTE: ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. 2002

23 22 De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (2002, p.49), o potencial hidrelétrico brasileiro é estimado em cerca de 260 GW, dos quais 40,5% estão localizados na Bacia Hidrográfica do Amazonas. ILUSTRAÇÃO 2 - POTENCIAL HIDRELÉTRICO ESTIMADO NO BRASIL FONTE: ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. 2002

24 23 Entre as demais bacias hidrográficas brasileiras, destacam-se: a do Paraná, com 23% desse potencial, a do Tocantins (10,6%) e a do São Francisco (10%). As bacias do Uruguai e do Atlântico Leste representam cerca de 5% cada uma e as demais (Atlântico Sudeste e Atlântico Norte/Nordeste) somam juntas apenas 5% do referido potencial. Contudo, apenas 63% desse potencial foi inventariado, de modo que essas proporções mudam significativamente em termos de potencial conhecido. Na página anterior encontra-se a Ilustração 2 que indica o mapeamento do potencial hidrelétrico no país; já em seguida, a ilustração 3 mostra a proporção do potencial hidrelétrico aproveitado no Brasil. Estas ilustrações definem um contraste entre o potencial disponível e o potencial utilizado ILUSTRAÇÃO 3 TAXA DE APROVEITAMENTO DO POTENCIAL HIDRELÉTRICO BRASILEIRO FONTE: ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. 2002

25 Aproveitamento Hidrelétrico para Usinas de Pequeno Porte no Brasil Segundo a ANEEL, órgão do governo federal responsável pela regulamentação do setor de energia elétrica no Brasil, as centrais hidrelétricas de pequeno porte podem ser divididas em dois tipos: Pequenas Centrais Hidrelétricas PCH Centrais Geradoras Hidrelétricas CGH Esta divisão é proposta apenas com base na potência instalada e para fins de legislação e normalização dos procedimentos de concessão. Pode-se afirmar, entretanto, que tanto os aspectos construtivos quanto os equipamentos e componentes são basicamente os mesmos para as duas filosofias. As centrais hidrelétricas de pequeno porte geralmente funcionam com pequenos reservatórios ou com derivações de cursos d água permanentes. Normalmente se destinam a suprir demandas locais ou locais onde restrições à uma grande barragem prevalecem. Este segmento proporcionou a abertura do setor energético para novas empresas geradoras independentes, que tem na geração de energia uma forma de garantir sua sobrevivência econômica, reduzindo custos e tendo a possibilidade de vender seu excedente para as empresas distribuidoras. Mas a importância destas centrais se torna mais significativa quando utilizadas em regiões afastadas do sistema convencional de distribuição. Especificamente em regiões rurais, as PCH ou as CGH podem assumir um fator de desenvolvimento social ao melhorar a qualidade de vida das populações, permitindo a construção de postos de saúde, sistemas de telecomunicação, refrigeração, entre tantos outros benefícios que necessitam de energia elétrica em maior quantidade. Além dos benefícios sociais, é grande a contribuição para o meio ambiente ao substituir os combustíveis fósseis, altamente poluentes, que normalmente são usados em grupos geradores, ou em sistema de irrigação, por uma energia limpa (FILHO; ZANIN, 2001) A Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEEL (2002) descreve a situação do aproveitamento hidrelétrico brasileiro para pequenas usinas: Em janeiro de 2002, havia 304 empreendimentos hidrelétricos de pequeno porte micro e pequenas centrais hidrelétricas em operação no Brasil, totalizando 859 MW de potência instalada e apenas 1,4% do parque hidrelétrico brasileiro.

26 25 A maioria dos pequenos aproveitamentos hidrelétricos localiza-se nas regiões Sul e Sudeste, nas bacias do Paraná e Atlântico Sudeste, próximo dos grandes centros consumidores de energia elétrica. Na Bacia do Paraná, destacam-se as sub-bacias 61 (Rio Grande), 62 (Tietê) e 64 (Paraná/Paranapanema), com 59 aproveitamentos e cerca de 300 MW de potência instalada. Na bacia do Atlântico Sudeste, destacam-se as subbacias 56 (Rio Doce) e 58 (Rio Paraíba do Sul), com 37 aproveitamentos e aproximadamente 250 MW de capacidade instalada. A maioria dos demais aproveitamentos se localiza no Centro-Oeste do país, principalmente nos estados de Mato Grosso e Tocantins A ilustração abaixo indica a localização dos pontos de aproveitamento hídrico por pequenas centrais hidrelétricas no Brasil. ILUSTRAÇÃO 4 - DISTRIBUIÇÃO DO APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO POR PEQUENAS CENTRAIS NO BRASIL FONTE: ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. 2002

27 TECNOLOGIAS PARA APROVEITAMENTO DOS RECURSOS HÍDRICOS Os empreendimentos para aproveitamento dos recursos hídricos, do ponto de vista energético, denominam-se centrais hidrelétricas. As centrais hidrelétricas convertem a energia das águas em energia elétrica. A quantidade de energia elétrica gerada é proporcional à quantidade de água que passa através da turbina. Os aproveitamentos hidrelétricos podem ser distinguidos segundo a potência disponível em usinas pequenas, médias e grandes, ou ainda segundo a queda em usinas de queda baixa, média e alta. Porém tais definições são pouco significativas e os limites entre as diversas topologias são arbitrários. Uma distinção mais relevante sobre os aproveitamentos hidrelétricos deve abordar as características da produção da energia elétrica, ou seja, os tipos fundamentais de usinas hidrelétricas: usinas a fio d água ou usinas de acumulação Usinas a Fio D água Segundo SCHREIBER (1987, p.9) denominam-se usinas hidrelétricas a fio d água, as que não dispõem de uma bacia de acumulação d água de dimensões significativas, e cuja produção conseqüentemente é inconstante, dependendo da oscilação da vazão do rio. Esse tipo de central é empregado quando a vazão mínima do rio não consegue suprir a potência instalada e atender à demanda máxima prevista do mercado consumidor. Neste caso, a captação da água poderá ser feita através de uma pequena barragem, desprezando-se o volume do reservatório criado e projetando-se todo o sistema de adução 3 para conduzir a descarga necessária à potência que atenda à demanda máxima. O aproveitamento energético do local será parcial e haverá curso de água pelo vertedouro na quase totalidade do tempo (ELETROBRÁS, 1999, p.2). 3 Operação de trazer a água, nos sistemas com reservatório, desde o ponto de captação até à turbina.

28 27 Por não possuir barragem, é a que produz o menor impacto ambiental e as simplificações desta topologia isentam o projeto de estudos de sazonalidade de carga elétrica do consumidor e estudos de regularização de vazão, fator este que surge como a principal desvantagem juntamente com a dependência de estar sujeita ao regime do rio (REIS; SILVEIRA, 2001) Usinas com Reservatório de Acumulação As usinas hidrelétricas com reservatório de acumulação, ao contrário das usinas a fio d água, armazenam água a fim de produzir energia de maneira constante, o que torna a regulação do reservatório um fator importante no momento da definição de suas dimensões e para a provisão de água em tempos de seca. O volume útil dos reservatórios para uma regularização plurienal eficiente depende do regime do rio. Em rios da zona tropical, o volume é da ordem de 50 a 70% do deflúvio anual médio, e para rios de zonas subtropicais e temperadas o regime dos rios não é tão equilibrado, demandando reservatórios bem maiores (SCHREIBER, 1987, p.2). Especificamente para centrais geradoras de pequeno porte a questão é significativamente simplificada, pois a regulação é realizada em pequenos intervalos de tempo, normalmente diários, ao invés de mensais ou anuais, como no caso de grandes usinas (ELETROBRÁS, 1999, p.3). 2.4 CENTRAIS GERADORAS DE PEQUENO PORTE Como citado anteriormente, a Agência Nacional de Energia Elétrica (2002) classifica como central geradora de pequeno porte as PCH s e CGH s.

29 Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH Caracterizadas pela ANEEL (1998), as pequenas centrais se enquadram como usinas construídas com potência de até 30 MW, e com um reservatório não superior a 3,0 km Centrais Geradoras Hidrelétricas - CGH As centrais geradoras hidrelétricas são caracterizadas por produzirem, no máximo, 1 MW de potência (ANEEL, 2002). Instituiu-se que não dependerá de autorização ou concessão o aproveitamento do potencial de energia renovável de capacidade reduzida. Ficou então estabelecido que os aproveitamentos de potenciais hidráulicos iguais ou inferiores a 1 MW estão dispensados de concessão, permissão ou autorização, devendo apenas ser comunicado ao poder concedente para fins de registro (ANEEL, 2003) Classificação das Centrais Geradoras de Pequeno Porte Segundo a ELETROBRÁS (1999, p.4-5), as centrais hidrelétricas de pequeno porte possuem as seguintes classificações em relação a sua regulação: a fio d água; acumulação, com regularização diária do reservatório; acumulação, com regularização mensal do reservatório. No entanto, as topologias referentes a reservatório de acumulação com regularização mensal não são normalmente utilizadas.

30 OS INCENTIVOS GOVERNAMENTAIS PARA CENTRAIS GERADORAS DE PEQUENO PORTE. O sistema elétrico nacional passa por uma severa crise de investimentos. O governo federal não dispõe de recursos financeiros suficientes para suprir a demanda crescente de investimentos. Uma das soluções a curto prazo é estimular a iniciativa privada a investir em geração de energia. Para tanto, o governo criou resoluções e implantou programas de incentivos. O principal programa diz respeito às fontes alternativas de energia, como eólica, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas, o chamado PROINFA, programa de incentivo às fontes alternativas de energia. De acordo com a ELETROBRAS (2004, p.1) o PROINFA é descrito como: O PROINFA tem como objetivo a diversificação da matriz energética brasileira e a busca por soluções de cunho regional com a utilização de fontes renováveis de energia, mediante o aproveitamento econômico dos insumos disponíveis e das tecnologias aplicáveis, a partir do aumento da participação da energia elétrica produzida com base naquelas fontes, no Sistema Elétrico Interligado Nacional SIN O PROINFA promoverá a implantação de MW de capacidade, em instalações de produção com início de funcionamento previsto para até 30 de dezembro de 2006, sendo assegurada, durante 20 anos, a compra da energia produzida pelos empreendedores homologados e capacitados pelos processos de habilitação do programa. O governo federal concede vários benefícios: autorização não-onerosa para explorar o potencial hidráulico (BRASIL, 1996a) ; descontos superiores a 50% nos encargos de uso dos sistemas de transmissão e distribuição (ANEEL, 1999a); livre comercialização de energia para consumidores de carga igual ou superior a 500 kw (BRASIL, 1998); isenção relativa à compensação financeira pela utilização de recursos hídricos (BRASIL, 1996b); participação no rateio da Conta de Consumo de Combustível CCC, quando substituir geração térmica a óleo diesel, nos sistemas isolados (ANEEL,

31 b); Comercialização da energia gerada pelas centrais com concessionárias de serviço público, tendo como limite tarifário o valor normativo pré-estabelecido. (ANEEL, 2001). 2.6 COMPONENTES E EQUIPAMENTOS DE USINAS HIDRELÉTRICAS Em Centrais Hidrelétricas Dimensionamento de Componentes, Z. SOUZA (1992) relaciona, sob o aspecto construtivo, os principais equipamentos e componentes de centrais hidrelétricas: a) Obras civis vias de acesso; barragem; tomada d água; sistema de baixa pressão (canal ou suportes); câmara de carga; chaminé de equilíbrio; suporte para tubulação forçada; casa de máquinas. b) Equipamentos mecânicos grades; comportas; válvulas; tubulações; turbinas hidráulicas; reguladores de velocidade; pórticos. c) Equipamentos elétricos sistema de acionamento eletroeletrônico; sistema de proteção e de comunicação; geradores e sistemas de excitação;

32 31 reguladores eletroeletrônicos de velocidade, de tensão, e de carga; quadro de comando; sistema eletroeletrônico de baixa, e de alta tensões; subestações elevadoras e abaixadoras; linhas de transmissão Barragens As barragens são obras de engenharia cuja função é a retenção de água para uma aplicação específica, tendo como finalidade: a concentração de água resultante do desnível de um rio produzindo uma queda; a criação de um reservatório para a regulação; ou ainda servir de apoio na elevação do nível de água possibilitando a entrada da água em um canal, túnel ou tubulação adutora para a casa de máquinas (SOUZA, 1992, p.10-16). A seguir apresenta-se a imagem de uma barragem comumente utilizada em centrais geradoras de pequeno porte. ILUSTRAÇÃO 5 - BARRAGEM DE UMA CENTRAL GERADORA FONTE: ANEEL, Guia do Empreendedor. 2003

33 Tomada d água A tomada d água tem por principal finalidade captar a água e conduzi-la aos órgãos adutores que se encarregam de direcioná-la às turbinas. Outras funções secundárias, mas também muito importantes, são a proteção contra a entrada de corpos estranhos que possam danificar a turbina e fechamento da entrada de água quando necessário. A tomada d água deve ter uma forma que reduza as perdas de carga a níveis mínimos em todo o seu trecho. Além disso, aconselha-se estudar a planta do formato da tomada em um modelo reduzido e, principalmente, o ângulo formado entre o eixo da entrada e o eixo do rio, a fim de evitar a formação de turbilhões e contrações que ocasionem perda de carga, depósitos de lodo e areia e eventualmente erosões (SCHREIBER, 1987, p.111) Equipamentos de tomada d água a) Grades As grades são estruturas constituídas por barras achatadas de aço instaladas na tomada de água, com a finalidade de interceptar objetos que possam danificar as turbinas. As grades podem ser do tipo achatada ou possuir formas hidrodinâmicas, que amenizam as perdas de carga; porém seu custo é elevado e, em geral, este acréscimo no preço final não é compensado pelo ganho. As barras das grades são instaladas na posição vertical, ou em alguns casos, inclinadas. São apoiadas, na parte inferior, em uma ranhura localizada na soleira da tomada d água, na parte central por vigas horizontais e na parte superior em uma estrutura de concreto (SCHREIBER, 1987, p ).

34 33 b) Comportas As comportas são empregadas para interromper a entrada de água aos órgãos adutores e às turbinas em situações de revisão ou eventuais consertos, ou ainda, em situações de emergência, como defeito na regulação da turbina. As comportas planas são as mais utilizadas em tomadas de água e são munidas de rodas ou rolos que amenizam o atrito na movimentação. Esta movimentação é realizada por meio de guinchos mecânicos ou servomotores acionados por óleo sob pressão. Este último é freqüentemente utilizado devido as suas vantagens técnicas e econômicas. Além da bomba de óleo que gera a pressão necessária, não existem partes rotativas sujeitas a desgastes. A vedação da comporta contra peças fixas é realizada normalmente nas laterais e na extremidade superior por meio de perfis de borracha, de preferência sintética (SCHREIBER, 1987, p.115) Órgãos Adutores Segundo SCHREIBER (1987, p.120) denominam-se órgãos adutores ou adutoras, todas as construções que ligam a tomada d água às turbinas. A escolha da adutora depende do tipo de instalação da usina e das condições topográficas. Nas usinas de represamento por reservatório, por exemplo, a ligação entre a tomada d água e a turbina é muito curta, de modo que, às vezes, praticamente desaparece Componentes de órgãos adutores a) Canais Os canais são órgãos adutores que conduzem a água da tomada d água até a turbina. A adução por canais é realizada em baixa pressão e são utilizadas basicamente em usinas a fio d água.

35 34 ILUSTRAÇÃO 6 - ADUÇÃO EM CANAL ABERTO FONTE: ANEEL, Guia do Empreendedor ILUSTRAÇÃO 7 - ADUÇÃO EM CANAL EM FORMA DE TÚNEL FONTE: ANEEL, Guia do Empreendedor b) Tubulações Em usinas hidrelétricas as tubulações assumem, assim como nos canais, a função de interligar a tomada d água com a turbina, exceto onde há canais abertos. As tubulações podem ser divididas basicamente em tubulações adutoras e em tubulações forçadas. As tubulações adutoras conduzem a água desde a sua tomada até o ponto onde a queda é detectada. A partir daí a tubulação forçada conduz a água a um nível abaixo da represa, onde estão as turbinas (SCHREIBER, 1987, p.123). ILUSTRAÇÃO 8- TUBULAÇÃO INSTALADA EM UMA ENCOSTA FONTE: ANEEL, Guia do Empreendedor. 2003

36 Geradores O gerador transforma a energia mecânica produzida pela turbina em energia elétrica. No Brasil, a energia nas redes públicas de transmissão e distribuição, é de corrente alternada, trifásica, de 60 Hz. Por isso serão considerados apenas geradores trifásicos de 60 Hz. Fisicamente o gerador é composto de uma parte fixa, o estator, e de uma parte rotativa, o rotor. O rotor é constituído do cubo com o eixo, que está diretamente acoplado ao eixo da turbina, sustentado verticalmente pelo mancal de escora. Ao cubo são ligados os raios em cuja extremidade exterior vai o aro. Os aros dos geradores modernos de usinas de queda baixa, ou média, com baixa velocidade e diâmetro grande, também são construídos com lâminas prensadas por pinos que os atravessam, e são munidos de ranhuras em que são inseridos os pólos com seus enrolamentos. O estator deve ser fortemente ancorado no concreto da casa de força, para poder resistir ao momento de torção, que assume seu valor máximo na ocasião de um curto-circuito. Os pólos do rotor são magnetizados por corrente continua e, ao circular próximo às bobinas do estator, induzem a corrente alternada. Há várias maneiras para gerar essa corrente contínua. No princípio, utilizava-se um dínamo na extremidade do eixo principal, no entanto, essa solução apresenta algumas desvantagens tanto em aspectos elétricos como em mecânicos. Por exemplo, nas máquinas lentas, com reduzido número de rotações, as dimensões do dínamo tornam-se grandes, e em conseqüência, seu preço é relativamente elevado; além disso, a regulagem da excitação é dificultada pela grande inércia magnética do conjunto. No intuito de evitar esses inconvenientes, é colocado, no rotor do gerador principal, um gerador auxiliar de capacidade adequada às exigências da excitação. Esse gerador auxiliar pode receber a excitação com ímãs permanentes, podendo ser o mesmo que impulsiona o pêndulo do regulador da turbina. Ao gerador auxiliar é ligado eletricamente um motor de corrente alternada, de grande número de rotações,

37 36 que por sua vez está diretamente acoplado a um dínamo que fornece a corrente contínua para a excitação do gerador principal. Atualmente os fabricantes dos geradores estão passando a empregar excitação estática, que é caracterizada pela geração de corrente contínua por meio de retificadores. Para o fornecimento da corrente alternada aos retificadores existem duas possibilidades: a fonte da energia com tensão necessária para a excitação é um gerador auxiliar, ou o próprio gerador principal, por meio de um transformador que baixa sua tensão, geralmente de 13,8 a 15 kv nos geradores de potência acima de cerca de 150 MVA, para a tensão dos retificadores. Esta última solução evita completamente máquinas rotativas, mas para por a máquina em operação, depois de uma parada, é necessária uma excitação momentânea do gerador principal, fornecida por bateria ou por outra fonte de corrente contínua. As perdas de um gerador com rendimento máximo de 97%, são de natureza térmica, ou calor, que deve ser retirado para evitar aquecimento excessivo do gerador. Com essa finalidade o rotor é equipado com aletas de ventilador, que fazem circular o ar em circuito fechado pelo estator e pelos radiadores montados na sua circunferência externa. Refrigeração do ambiente por meio da circulação de ar não se usa mais, principalmente para se evitar a entrada de corpos estranhos, como por exemplo, insetos e poeiras, que sujam as bobinas do enrolamento e diminuem as passagens para o ar. O gerador está eletricamente ligado ao transformador, que eleva a tensão do gerador para a da rede de transmissão. Essa ligação pode ser feita por cabos apenas para potências menores que cerca de 50 MVA; para potências maiores, a seção dos condutores deve ser tão grande que devem ser usadas barras de cobre ou de alumínio. Com a finalidade de evitar o surto de esforços magnéticos entre as barras, durante um curto-circuito, as barras das três fases são conduzidas separadas, dentro de tubos de alumínio ou aço, cujo diâmetro depende do tamanho das barras e importa em cerca de 70 a 100 cm. Os pontos de neutro das três fases são conduzidos para um cubículo que contém os transformadores de potencial, que fazem parte do sistema de proteção. As três fases do gerador são ligadas aos transformadores de potencial e de tensão, que servem para a medição e a proteção do gerador, em geral numa derivação dos dutos para os transformadores principais. A espiral da turbina, no sentido longitudinal da casa de força, é maior que o

38 37 gerador, de modo que o comprimento da casa de força depende do tamanho da turbina, mas o gerador determina sua largura (SCHREIBER, 1989, p.195). ILUSTRAÇÃO 9 - GRUPO TURBINA- GERADOR PARA CGH FONTE: ANEEL,Guia do empreendedor ILUSTRAÇÃO 10 - GRUPO TURBINA- GERADOR PARA PCH FONTE: ANEEL,Guia do empreendedor ILUSTRAÇÃO 11 - GRUPO TURBINA- GERADOR PARA PCH FONTE: ANEEL,Guia do empreendedor Reguladores de velocidade Quando uma unidade geradora fornece energia elétrica a centrais elétricas, um equipamento chamado governador ou simplesmente regulador de velocidade faz-se necessário. Sua função é manter a velocidade da unidade geradora em valores limites considerados aceitáveis em função da variação de demanda da rede elétrica. A necessidade de se controlar a rotação das unidades geradoras baseia-se inicialmente na condição de que a energia elétrica deve ter características técnicas aceitáveis, ou seja, ter uma freqüência padrão (± 1%) e, em seguida, a condição de que a máquina é mecanicamente limitada, pois foi projetada para um rendimento otimizado em uma determinada rotação, e seus componentes são calculados para suportar os esforços nesta condição. Basicamente pode-se dizer que para cada tipo de máquina há um modelo de regulador ideal, para que o comportamento dinâmico do sistema seja atendido. O regulador de velocidade não é um componente independente em seu modo de agir. Seu comportamento depende das grandezas do sistema controlado e também os afeta. Portanto a estabilidade dos governadores depende da influência de mudanças das condições externas, bem como das alterações na turbina e no próprio

39 38 equipamento regulador, como ondas que aparecem na tubulação ou vórtices formados devido a uma mudança na seção da tubulação. Se estes problemas persistirem, mesmo em pequeno grau, quando o limitador de carga estiver habilitado, a falta ocasionada pode assumir proporções que não se limitará apenas ao governador (SOUZA; FUCHS, 1983, p.75-88) Turbinas A turbina hidráulica é uma máquina com a finalidade de transformar a maior parte da energia de escoamento contínuo da água que a atravessa em trabalho mecânico. Consiste, basicamente, de um sistema fixo hidráulico e de um sistema rotativo hidromecânico, destinados, respectivamente, à orientação das águas em escoamento e à transformação em trabalho mecânico Breve histórico Não se sabe ao certo quando foi a primeira vez que se aproveitou a força hidráulica para realização de trabalho, porém o estudo das turbomáquinas iniciou com Euler em 1754, em seu trabalho sobre máquinas de reação "Théorie plus complète des machines qui sont mises en mouvement par la réaction de L'eau ("Teoria completa de máquinas que são postas em movimento pela reação da água"). Posteriormente o engenheiro Francês Claude Burdin escreveu seu trabalho Des turbines hydrauliques ou machines rotatoire á grande vitesse ("Turbinas hidráulicas ou máquinas rotativas à grande velocidade"). Burdin foi um engenheiro teórico, porém, seu discípulo Fourneyron, foi um engenheiro prático e, em 1827, construiu a primeira turbina hidráulica experimental digna de receber este nome, a primeira de uma centena que ele viria a construir, em diferentes partes do mundo. O domínio de Fourneyron neste mercado só começou a ser ameaçado a partir de 1837, com o aparecimento das turbinas de Heunschel e Jonval. Podemos