UNIVERSIDADE TÉCNICA DE LISBOA INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO DEEC / Secção de Energa Energas Renováves e Produção Descentralzada INTRODUÇÃO À ENERGIA MINI-HÍDRICA Ru M.G. Castro Dezembro de 2002 (edção 1)
OUTROS VOLUMES DISPONÍVEIS Introdução à Energa Fotovoltaca, Novembro 2002 (edção 0) Introdução à Energa Eólca, Janero 2003 (edção 1) Condções Técncas e Económcas da Produção em Regme Especal Renovável, Feverero 2003 (edção 2) Ru Castro rcastro@st.utl.pt http://enerp4.st.utl.pt/rucastro
ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO 1 1.1. Breve Perspectva Hstórca 1 1.2. Classfcações 3 1.3. Stuação em Portugal 5 1.4. Custos Estmados 6 2. INTRODUÇÃO À ANÁLISE HIDROLÓGICA 9 2.1. Curva de Duração de Caudas 9 2.2. Correlação Caudal Precptação 12 3. INTRODUÇÃO AO PROJECTO DETALHADO 15 4. METODOLOGIA NA FASE DE ANTEPROJECTO 18 4.1. Potênca a Instalar 18 4.2. Escolha da Turbna 19 4.3. Escolha do Gerador 22 4.4. Energa Eléctrca Produtível 25 4.5. Dos Grupos Turbna/Gerador 28 5. ANEXO 32 6. BIBLIOGRAFIA 34 6.1. WWW 34 6.2. Tradconal 34
Introdução 1 1. INTRODUÇÃO 1.1. BREVE PERSPECTIVA HISTÓRICA Entre os fnas do século XIX e os prncípos do século XX, nstalaram-se mutas centras hdroeléctrcas com potêncas compreenddas entre algumas dezenas e poucos mlhares de qulowatts, precsamente o domíno de potêncas que hoje levara a classfcá-las como pequenas centras hdroeléctrcas, ou, na lnguagem corrente, centras mn-hídrcas (CMH). Os progressos entretanto verfcados na transmssão da energa eléctrca permtram que os países alta e medanamente ndustralzados passassem a estar cobertos por redes eléctrcas densamente malhadas. Esta crcunstânca, alada ao facto de as reservas de combustíves fósses de fácl extracção serem consderadas como pratcamente nesgotáves, e serem em número aprecável os locas com condções favoráves à nstalação de grandes aprovetamentos hdroeléctrcos, levou a que a produção de energa eléctrca se concentrasse em poucas centras de elevada potênca nstalada, benefcando da nerente economa de escala. Como consequênca da evolução regstada, tanto o nvestmento untáro, como as despesas de operação e manutenção por undade de energa produzda nos aprovetamentos hdroeléctrcos de baxa potênca, sofreram agravamentos ncomportáves, o que levou à sua progressva degradação e mesmo ao encerramento de mutas undades. A partr dos choques petrolíferos de 1973 e, prncpalmente, de 1981, o quadro de referênca mudou substancalmente: aumentou o valor da energa, os melhores locas para nstalação de centras hdroeléctrcas de grande porte já estavam tomados, os progressos verfcados na automação permtram reduzr drastcamente as despesas de exploração. É nesta perspectva que se nsere o renovado nteresse pelas CMH, verfcado a partr da década de otenta.
Introdução 2 De entre as fontes de energa eléctrca descentralzadas, a mn-hídrca era aquela que reuna as condções para um desenvolvmento mas rápdo. Por um lado, a tecnologa naconal poda dar um contrbuto maor, porque benefcava da experênca e conhecmento acumulados na área dos recursos hdroenergétcos 1. Por outro lado, o recurso hdrológco português estava razoavelmente bem estudado, fruto de campanhas de medção, conduzdas ao longo de város anos, nos prncpas cursos de água. A publcação do Decreto-Le n.º189/88, a prmera legslação orentada para a promoção da produção de energa eléctrca a partr de recursos renováves, combustíves naconas ou resíduos ndustras, agrícolas ou urbanos, bem como da cogeração, representou um marco fundamental na hstóra da produção ndependente em Portugal. O resultado da publcação da nova legslação fo rápdo e ultrapassou o que os seus promotores esperavam, revelando um potencal hdroeléctrco muto rendível que, na prátca, estava adormecdo. Para fnancar os projectos que fazam uso das chamadas energas renováves, as autordades recorreram ao programa comuntáro VALOREN, cujo prncpal objectvo era encorajar a utlzação de recursos energétcos endógenos nas regões menos favorecdas da então CEE 2. Fo como fontes de produção descentralzada que se desenvolveu a nstalação de CMH, entregando à rede públca a maor parcela de energa que era possível extrar da água. Uma das razões para sso, prendeu-se com o facto de as CMH consttuírem fontes de energa regular, pelo que não era de esperar que a sua nterlgação com o sstema electroprodutor naconal ntroduzsse perturbações no funconamento deste; outra razão pode ser encontrada na baxa utlzação anual e na precára garanta de fornecmento de energa, característcas do funconamento das CMH em rede solada. 1 Em meados da década de otenta (1985) estavam nstalados em Portugal cerca de 3000 MW de potênca hdroeléctrca. 2 Na altura, verfcou-se a apresentação de um grande número de projectos (em parte não concretzados) correspondendo a um nvestmento prvado de 150 mlhões de contos e a uma potênca nstalada de mas de 400 MW, desgnadamente nos domínos da produção mn-hídrca e da cogeração.
Introdução 3 Os projectstas cedo se aperceberam que uma CMH não deva ser concebda como uma cópa em escala reduzda de uma nstalação de elevada potênca, conclundo que o seu projecto requera um grau aprecável de novação, a fm de reduzr os custos, garantndo, contudo, uma fabldade adequada e smplcdade operatva. No domíno da engenhara cvl os esforços foram drgdos para a concepção de sstemas compactos e smples, tanto quanto possível pré-fabrcados, de modo a reduzr os trabalhos no local. A engenhara mecânca orentou-se para o projecto de turbnas normalzadas, com rendmentos acetáves em dversas condções de funconamento, tendo em atenção que era no domíno das quedas baxas que as oportundades se afguravam mas prometedoras. No âmbto da engenhara electrotécnca as contrbuções repartram-se, essencalmente, em duas áreas: nos conversores mecano-eléctrcos, com especal relevo para a utlzação da máquna assíncrona como gerador, e na automatzação total das nstalações, que permte a sua exploração em modo abandonado. 1.2. CLASSIFICAÇÕES A desgnação central mn-hídrca generalzou-se em Portugal para desgnar os aprovetamentos hdroeléctrcos de potênca nferor a 10 MW. Este lmte é geralmente usado nternaconalmente como frontera de separação entre as pequenas e as grandes centras hdroeléctrcas. As prmeras, devdo ao seu mpacto ambental dmnuto, são consderadas centras renováves; as segundas, embora usem um recurso renovável, produzem efetos não desprezáves sobre o ambente, pelo que a sua classfcação como centras renováves é problemátca. Para as centras mn-hídrcas, a Unão Internaconal dos Produtores e Dstrbudores de Energa Eléctrca UNIPEDE recomenda a classfcação em função da potênca nstalada (ver Tabela 1). No que dz respeto à altura de queda, a classfcação habtual é a que se ndca na Tabela 2.
Introdução 4 Tabela 1: Classfcação das centras mn-hídrcas quanto à potênca. Desgnação P nst (MW) Pequena central hdroeléctrca < 10 Mn central hdroeléctrca < 2 Mcro central hdroeléctrca < 0,5 Tabela 2: Classfcação das centras mn-hídrcas quanto à altura de queda. Desgnação h u (m) Queda baxa 2 20 Queda méda 20 150 Queda alta > 150 Outra classfcação dz respeto à exstênca ou não de capacdade de armazenamento. As centras a fo de água não têm capacdade de regularzar o caudal, pelo que o caudal utlzável é o caudal nstantâneo do ro. Ao contráro, as centras com regularzação possuem uma albufera que lhes permte adaptar o caudal afluente. As CMH são, regra geral, centras a fo de água. Na Fgura 1 apresentam-se os prncpas elementos que consttuem uma central mn-hídrca, com a segunte legenda: Albufera ( ntake ) e respectvo açude Canal de adução ( feeder canal ) Câmara de carga ( fore bay ) Conduta forçada ( penstock ) Edfíco da central ( power house )
Introdução 5 Resttução ( tal race ) Caudal ecológco ( reserve flow ) Escada de pexe ( fsh ladder ) Fgura 1: Prncpas elementos de uma central mn-hídrca [ECO]. 1.3. SITUAÇÃO EM PORTUGAL Em relação à stuação em Portugal, as últmas estatístcas naconas conhecdas [Fórum] apontam para os seguntes valores em termos da potênca total nstalada em CMH (fnal de 2001): CMH entradas em funconamento após a publcação do DL 189/88: 44 centras, a que corresponde a potênca nstalada de 170 MW. Aprovetamentos ttulados por antgas concessões: 34 centras, perfazendo a potênca nstalada de 30 MW. Instalações do Sstema Eléctrco Não Vnculado (SENV) 3 : 20 centras, que totalzam 56 MW. 3 Neste subsstema do Sstema Eléctrco Naconal, produtores não vnculados e clentes elegíves estabelecem contratos blateras, estando o acesso às redes garantdo na legslação.
Introdução 6 Em conclusão, exstam no fnal de 2001 em Portugal 98 CMH, num total de 256 MW, sendo 78 (200 MW) centras de Produção em Regme Especal (PRE) 4, e 20 (56 MW) centras do SENV. Anda segundo a mesma fonte, a produção anual estmada para as centras de PRE é de cerca de 650 GWh/ano, sendo de 165 GWh/ano o valor correspondente às centras do SENV. Verfca-se que, desde 1994, a taxa de execução de novos aprovetamentos tem sdo extremamente baxa. Como prncpas causas para esta stuação têm sdo apontadas as dfculdades de obtenção de novos lcencamentos, centradas prncpalmente nos procedmentos admnstratvos nerentes ao processo de utlzação da água e a aplcação do regme jurídco de Reserva Ecológca Naconal (REN), obrgando ao reconhecmento de nteresse públco muncpal. No fnal de 2002, observa-se que não só o lcencamento de novas CMH está pratcamente parado, como exstem dfculdades de legalzação dos aprovetamentos ttulados por antgas concessões. 1.4. CUSTOS ESTIMADOS Naturalmente que a estmação de custos assocados à nstalação de CMH é uma tarefa complexa, dependendo, entre outros factores, da potênca nstalada, da altura de queda e da lgação à rede receptora. Os dados conhecdos permtem stuar o nvestmento total numa gama de varação entre 1000 /kw e 3000 /kw, sendo o lmte nferor correspondente a médas e altas quedas e potêncas superores a 1000 kw e o lmte superor correspondente a baxas quedas e potêncas nferores a 250 kw. O custo médo anual actualzado ( /kwh) é dado por: 4 Produtores ndependentes com regme jurídco específco, que produzem energa eléctrca a partr quer de aprovetamentos hdroeléctrcos com potênca nstalada nferor a 10 MVA, quer de energas renováves com excepção da energa hdráulca, quer de nstalações de cogeração.
Introdução 7 c ( + c ) d p = equação 1 h a c ( ) 1 em que: nverso do factor presente da anudade, dado por = n ( 1+ a) a n 1+ a, sendo a a taxa de actualzação e n o número de anos de vda útl da nstalação c p custo de nvestmento por kw nstalado ( /kw) h a utlzação anual da potênca nstalada (h) c d custos dversos, onde se ncluem, como parcela domnante, os encargos de O&M em percentagem do nvestmento total Na Fgura 2 lustra-se a curva de varação do custo médo anual da undade de energa produzda em função da utlzação anual da potênca nstalada, parametrzada em função do nvestmento por undade de potênca nstalada. O período de vda útl da nstalação fo tomado gual a 30 anos. Para os encargos de O&M tomou-se o valor de 1% do nvestmento total. A taxa de actualzação consderada fo de 7%. De acordo com a legslação em vgor (DL 339-C/2001) que estabelece a fórmula de cálculo da remuneração da energa entregue à rede públca pelos PRE que usam recursos renováves pode estmar-se que actualmente (fnal de 2002) cada undade de energa com orgem em CMH njectada na rede públca é paga a um valor que se stuará em torno de 6 a 7 cêntmos [Energa2001].
Introdução 8 15 cp = 3000 /kw 12 Cêntmos de Euro / kwh 9 6 3 cp = 2000 /kw cp = 1000 /kw 0 2000 2500 3000 3500 4000 Utlzação anual da potênca nstalada (h) Fgura 2: Custo médo anual da undade de energa em função da utlzação anual da potênca nstalada, parametrzado em função do nvestmento por kw nstalado; a = 7%, n = 30 anos, c d = 1%c p. Por forma a garantr a adequada rentabldade económca, a experênca mostra que as CMH em operação apresentam valores da utlzação anual da potênca nstalada que se stuam, tpcamente, entre as 2000 a 2500 (cenáros secos) e as 3500 a 4000 horas (cenáros húmdos); é, por sso, acetável tomar 3000 horas como valor médo. A Fgura 2 permte conclur que, em prmera aproxmação e para as condções médas enuncadas, a vabldade económca da nstalação só será assegurada se o nvestmento untáro se stuar abaxo de 2000 /kw, o que afasta as nstalações com quedas e potêncas baxas.
Introdução à Análse Hdrológca 9 2. INTRODUÇÃO À ANÁLISE HIDROLÓGICA O estudo hdrológco em que se fundamenta um aprovetamento hdroeléctrco tem de ser efectuado por especalstas em hdrologa. Nesta medda, o texto que se segue destna-se apenas a fornecer ao engenhero electrotécnco a lógca básca que orenta a estmação de caudas. 2.1. CURVA DE DURAÇÃO DE CAUDAIS O caudal que passa por uma secção de um ro é uma varável aleatóra, com repartção não unforme ao longo do ano. Assm, os estudos hdrológcos só poderão fornecer probabldades de ocorrênca dos caudas afluentes a uma determnada secção do curso de água (geralmente, valores médos dáros), ao longo do ano. O objectvo prmero da análse hdrológca destnada a suportar os estudos de vabldade dos aprovetamentos hdroeléctrcos é, portanto, a obtenção da chamada curva méda de duração dos caudas médos dáros 5. Esta curva é uma curva méda suportada por observações realzadas ao longo de város anos; o seu sgnfcado será tanto maor, quanto maor for o período de tempo consderado para a sua construção. É geralmente acete que um período de trnta a quarenta anos é o deal para tomar como sgnfcatva a curva méda obtda. Para alguns ros portugueses conhecem-se séres de medções de caudas, fetas em estações hdrométrcas durante o tempo sufcente para que as respectvas curvas médas de duração obtdas sejam consderadas sgnfcatva. Na Fgura 3 apresenta-se uma sére méda cronológca de caudas médos dáros numa secção de um curso de água, obtda a partr de observações efectuadas durante um número sgnfcatvo de anos. 5 Normalmente usa-se a desgnação abrevada de "curva de duração de caudas" para referr a curva méda de duração de caudas médos dáros. Na sequênca, adopta-se, também, esta smplfcação de lnguagem.
Introdução à Análse Hdrológca 10 30 25 20 Caudal (m3/s) 15 10 5 0 0 Fgura 3: Sére méda cronológca de caudas médos dáros. A curva de duração de caudas obtém-se por ordenação monotonamente decrescente dos valores da sére cronológca referda. Na Fgura 4 apresenta-se a curva de duração de caudas correspondente à sére cronológca da Fgura 3. Acetando que a curva representada na Fgura 4 caracterza com rgor o caudal afluente a uma secção do curso de água, então cada valor do exo das ordenadas representa o caudal médo dáro que, em ano médo, é gualado ou exceddo no número de das ndcado em abcssa. No caso de o curso de água permanecer seco durante alguns das, ao caudal zero corresponderá um número de das nferor a 365. A curva de duração de caudas pode ser admensonalzada. O caudal passará a ser meddo em "por undade" (pu), tomando como base o caudal médo, e o tempo será meddo em percentagem do tempo total. A Fgura 5 mostra o aspecto da curva de duração de caudas que tem vndo a ser usada, após a aplcação da operação de admensonalzação.
Introdução à Análse Hdrológca 11 30 25 20 Caudal (m3/s) 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Tempo (da) Fgura 4: Curva de duração de caudas. 20 15 Q/Qmed (pu) 10 5 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% Tempo (%) Fgura 5: Curva de duração de caudas admensonalzada.
Introdução à Análse Hdrológca 12 2.2. CORRELAÇÃO CAUDAL PRECIPITAÇÃO Na maor parte dos casos, os projectstas de CMH não têm a possbldade de dspor de regstos de caudas durante um número sufcentemente grande de anos efectuados precsamente no local onde se pretende construr o açude, nem sequer em secção próxma. Como proceder, então, para obter a mprescndível curva de duração de caudas para o local em estudo? Uma crcunstânca adjuvante para o trabalho dos projectstas, é que a forma da curva de duração de caudas para dos locas se mantém relatvamente nalterada, desde que as condções clmatércas, desgnadamente a dstrbução das precptações, e a natureza e o revestmento superfcal do solo, sejam semelhantes 6. Estando verfcadas estas condções, e conhecendo-se a curva de duração de caudas para uma determnada secção, é possível efectuar a sua extrapolação para outro local, graduando a curva a partr do conhecmento do respectvo caudal médo, também desgnado caudal modular (ver Fgura 5). O problema resume-se, agora, a obter o caudal modular para a secção em estudo. Vejamos qual a metodologa a prossegur para o calcular. A nformação relatva a caudas que está dsponível para o projectsta refere-se, em geral, a médas mensas tomadas num período dígto de anos no própro curso de água, ou em baca hdrográfca próxma com característcas análogas. As precptações regstadas, ao longo de dezenas de anos, pelas estações udométrcas espalhadas profusamente pelo país, consttuem uma outra fonte de nformação que está também acessível e não pode ser gnorada pelos projectstas. 6 No caso de exstr uma albufera a montante do local em estudo para regularzação dos caudas afluentes, a condção não se verfca. A curva a jusante da albufera é transformada, sendo tendencalmente atenuados os caudas mas elevados e aumentados os caudas mas baxos.
Introdução à Análse Hdrológca 13 Estabelecendo uma correlação entre os caudas escoados por undade de secção, H u (mm/ano), dsponíves, como se vu, para alguns anos, e as precptações, H (mm/ano), regstadas em dêntcos períodos de tempo, obtêm-se relações do tpo das representadas na equação 2. H u = k H k equação 2 1 2 A Fgura 6 mostra dos exemplos de correlações verfcadas expermentalmente em dos cursos de água, A e B. 2500 2000 A Hu=1,09H-464 Hu (mm/ano) 1500 1000 500 B Hu=0,94H-445 0 0 1000 2000 3000 H (mm/ano) Fgura 6: Correlação entre escoamentos e precptações. A curso água no norte de Portugal; B curso de água no centro de Portugal. A equação 2 fo estabelecda a partr de regstos efectuados durante poucos anos. Todava, a correlação entre escoamentos e precptações permanece ao longo dos anos, alterando-se apenas nos anos muto secos ou muto húmdos. Acetando as relações expressas por equações expermentas do tpo da equação 2, é possível, a partr dos regstos udométrcos, estmar os caudas escoados ao longo de dezenas de anos, e calcular o seu valor médo, H u, med (mm/ano).
Introdução à Análse Hdrológca 14 O caudal médo anual, Q med (m 3 /ano), é dado pela expressão ndcada na equação 3, em que S (km 2 ) é a área da baca hdrográfca. Q = equação 3 3 med S Hu,med 10 O caudal modular, Q mod (m 3 /ano), que se pretenda calcular para graduar a curva de duração de caudas, é dado pela equação 4. Q mod Qmed 60 60 24 365 = equação 4 Vale a pena menconar que o projecto hdrológco da CMH deverá nclur mutos outros aspectos específcos que não têm cabmento nesta abordagem sntétca. A determnação do caudal máxmo de chea e a varação da altura de queda com o caudal, consttuem dos bons exemplos de cálculos adconas a efectuar.
Introdução ao Projecto Detalhado 15 3. INTRODUÇÃO AO PROJECTO DETALHADO A potênca, P (W), que pode ser aprovetada numa central hdroeléctrca é dada pela expressão: P γ Q h η equação 5 = u Na equação 5, 3 γ = 9810 N/m é o peso volúmco da água, Q (m 3 /s) é o caudal de água que passa pela central, h u (m) é a altura de queda útl desnível entre montante e jusante deduzdo de um valor equvalente às perdas de energa hdráulca e η é o rendmento da central. 3 À parte o peso volúmco, que pode ser expresso em (kn/m ) para a potênca vr expressa em ( kw ), nenhuma das grandezas da equação 5 é constante. Esta crcunstânca torna o processo de escolha da potênca a nstalar, e a sua repartção pelo número de grupos, uma operação complexa. O factor que mas nfluenca a potênca a nstalar é o caudal, até porque é aquele que apresenta um maor espectro de varação. Nem todo o caudal afluente é, em geral, aprovetado para obter energa: pode haver lmtações por exgêncas de água para abastecmento ou rega, ou, anda, pela garanta do caudal ecológco. Assm, não será económco nstalar equpamentos que só seram plenamente aprovetados poucas horas por ano. Por outro lado, também não nteressa usar as turbnas para uma pequena fracção do seu caudal nomnal, porque o rendmento é demasado baxo. Para análses de smulação detalhada do funconamento de uma CMH, com equpamentos bem caracterzados, pode usar-se a metodologa teratva que, em lnhas geras, se descreve segur. A queda útl é calculada através da equação 6. h u M 2 T F B a = z kq z AQ equação 6 em que:
Introdução ao Projecto Detalhado 16 z M é a cota a montante; k é o coefcente de perda de carga do crcuto hdráulco; z F é a cota do fundo ou zero da escala hdrométrca a jusante; A e B são coefcentes empírcos da curva de vazão correspondente à resttução; Q T é o caudal turbnado na central; Q a é o caudal escoado para jusante da central. O rendmento de cada grupo turbna gerador, é função do respectvo caudal turbnado Q : 2 η (Q ) = a + b Q + c Q = 1,n equação 7 Nestas condções, a potênca (em kw) vem dada por (equação 8): n 2 B 2 3 ( z kq z AQ ) ( a Q + b Q + c Q ) P = 9,81 equação 8 M T O objectvo consste em obter a repartção de caudas, F a = 1 Q, que maxmza a potênca, P, para um determnado número de grupos, n, e um valor de caudal turbnado total, Q T. Este objectvo pode ser consegudo recorrendo aos multplcadores de Lagrange 7. A maxmzação de P é obtda com as restrções expressas na equação 9: Q < QMD n = 1 Q = Q T equação 9 7 Este método tem também aplcação na obtenção das equações do Despacho Económco de geradores.
Introdução ao Projecto Detalhado 17 em que QMD é o caudal máxmo dervável para cada grupo. O número de grupos a nstalar, n, com característcas conhecdas (,b,c, QMD ) a pode ser calculado a partr da maxmzação de uma função objectvo. Funções do tpo benefíco custo, como sejam os crtéros de avalação de projectos Valor Actual Líqudo (VAL) ou Taxa Interna de Rentabldade (TIR) 8 consttuem bons exemplos de funções objectvo a adoptar. O processo será repetdo para dferentes confgurações de equpamento potênca nstalada, número de grupos, tpo de turbna retendo-se a solução que maxmza a função objectvo. Na prátca, devdo à sua complexdade, a metodologa apresentada é usada em fases adantadas do projecto, no âmbto de equpas mult-dscplnares, envolvendo as dferentes especaldades da engenhara. 8 Estes concetos são ntroduzdos e aplcados ao caso de avalação de projectos de energa noutro capítulo desta dscplna.
Metodologa na Fase de Anteprojecto 18 4. METODOLOGIA NA FASE DE ANTEPROJECTO Para análses mas smplfcadas, tendo em vsta a determnação da potênca e o número de grupos a nstalar na fase de anteprojecto, é usual recorrer a crtéros mas smples, e, em geral, envolvendo alguma dose de emprsmo. São estas metodologas, usadas nas fases ncas do projecto, que se abordam na sequênca. 4.1. POTÊNCIA A INSTALAR Em nstalações de CMH lgadas à rede naconal, a hpótese ncal deverá ser a nstalação de um únco grupo turbna gerador. Recorrendo à curva de duração de caudas, a turbna é dmensonada para um caudal nomnal turbnado gual ao que é exceddo em cerca de 15% (55 das) a 40% (146 das) dos das em ano médo. A escolha desta percentagem depende da forma da curva de duração e, em grande parte, da experênca do projectsta. Defndo o caudal nomnal (de projecto) e tomando, nesta fase, como constantes a altura de queda e o rendmento, a potênca é calculada pela equação 5. Uma expressão, dervada da equação 5, muto vulgarzada para o cálculo da potênca eléctrca, em kw, é: P 8 Q n h b = equação 10 o que equvale a tomar para rendmento global de todo o aprovetamento hdroeléctrco, o valor de 81,6%. de queda. Q n (m 3 /s) é o caudal nomnal e h b (m) é a altura bruta O rendmento global, que depende do caudal, é o produto dos rendmentos do crcuto hdráulco, da turbna, do gerador e do transformador, e anda nclu os dspêndos de energa nos equpamentos auxlares. Tomar 81,6%, para valor médo deste rendmento global, parece ser optmsta, para os pequenos aproveta-
Metodologa na Fase de Anteprojecto 19 mentos; nestes casos, será mas realsta contar com valores entre 60 a 70%, e, portanto, o coefcente da equação 10 deverá ser reduzdo para 6 ou 7. Uma expressão prátca de cálculo a usar para determnar a potênca eléctrca (em kw) numa central mn-hídrca é, portanto: P 7 Q n h b = equação 11 4.2. ESCOLHA DA TURBINA A turbna hdráulca corresponde a uma parcela muto sgnfcatva do custo de uma CMH (pode chegar até 50%), pelo que a sua selecção crterosa se reveste de partcular nteresse. A escolha da turbna resulta da nteracção de três parâmetros queda, caudal e potênca. A Fgura 7 lustra uma tabela gráfca usada na selecção de turbnas para pequenos aprovetamentos hdroeléctrcos. Fgura 7: Tabela gráfca de selecção de turbnas para CMH [ECO].
Metodologa na Fase de Anteprojecto 20 As turbnas podem ser dvddas em dos tpos: turbnas de acção (ou de mpulsão) e turbnas de reacção. Qualquer um destes tpos é usado em CMH. As turbnas de acção são mas adequadas a uma utlzação caracterzada por quedas relatvamente elevadas e caudas baxos. Nas CMH, anda assm, podem encontrar-se turbnas Pelton (de acção) funconando com quedas ntermédas (20 a 100 m) e com potêncas varando entre 50 e 500 kw. Na capa deste texto mostra-se uma magem de uma turbna Pelton. Um outro tpo de turbna de acção usado prncpalmente na gama das baxas potêncas, é a turbna Bank Mtchell 9. O seu rendmento é nferor aos das turbnas de projecto convenconal, mas mantém-se num valor elevado ao longo de uma extensa gama de caudas. Esta característca torna-a adequada à operação num espectro largo de caudas. A Fgura 8 mostra o desenho de uma turbna Bank-Mtchell. Fgura 8: Desenho de uma turbna Bank-Mtchell. Nas turbnas de reacção dstnguem-se dos grandes grupos. As turbnas radas, do tpo Francs (Fgura 9), são turbnas adequadas para operação com condções ntermédas de queda e de caudal. As turbnas axas, do tpo Kaplan e hélce, são ndcadas para funconamento sob queda baxa e caudas elevados (Fgura 10). 9 Turbna de escoamento atravessante ou "cross flow".
Metodologa na Fase de Anteprojecto 21 Fgura 9: Imagens de turbnas Francs [VATech]. Fgura 10: Imagens de turbnas Kaplan [VATech]. As turbnas hélce são não reguláves 10, e por sso de consttução mas smples e robusta, são mas baratas, e têm menor manutenção. Em contrapartda, não têm a flexbldade proporconada pelas turbnas Kaplan, que são reguláves. Esta regulação pode ser dupla mobldade das pás da roda e do dstrbudor ou smples apenas uma possbldade de regulação. Neste últmo caso, é usual a opção pela regulação das pás da roda, por esta proporconar uma curva de rendmentos mas plana (ver Fgura 11). A Fgura 11 mostra as curvas de rendmento típcas para as turbnas menconadas (legenda: da esquerda para a dreta no exo das abcssas Pelton, Kaplan com rotor e dstrbudor reguláves, Francs, Kaplan com rotor regulável, Kaplan com dstrbudor regulável). 10 As turbnas de pás fxas possuem apenas regulação em vazo, para adaptação a dferentes regmes de caudas afluentes (período de chuvas e período de estagem).
Metodologa na Fase de Anteprojecto 22 Kaplan c/ rotor reg. Francs Kaplan c/ rotor + dstrb. reg. Kaplan c/ dstrb. reg. Pelton Fgura 11: Curvas típcas de rendmento das turbnas [Voth]. Outro factor a ter em conta é a varação da queda, que é partcularmente sgnfcatva nos aprovetamentos de baxa e méda queda. As turbnas Francs e Kaplan são, também sob este ponto de vsta, melhores do que as turbnas hélce: as prmeras suportam varações de queda entre 65% e 125% da queda nomnal, enquanto a gama de varação da últma é de apenas 90% a 110%. Em aprovetamentos de muto pequena potênca mcro centras tem sdo proposta a utlzação de bombas funconando em sentdo nverso, como turbnas. Apesar de uma redução de rendmento e da mpossbldade de adaptação ao caudal, esta solução apresenta vantagens nteressantes, tas como baxo preço, dsponbldade no mercado, fácl montagem e manutenção reduzda. 4.3. ESCOLHA DO GERADOR A escolha do conversor mecano-eléctrco para equpar uma central mnhídrca depende das especfcações mpostas à turbna, no que dz respeto a rendmento, velocdade nomnal e de embalamento, constante de nérca, tpo de regulação, etc.
Metodologa na Fase de Anteprojecto 23 Uma opção fundamental coloca-se entre o gerador síncrono (alternador) e o gerador assíncrono (ou de ndução) 11. O gerador assíncrono consttu, em geral, a solução técnca e economcamente preferível, devdo às suas conhecdas característcas de robustez, fabldade e economa. Nas centras de potênca mas elevada são exgdas soluções técncas mas elaboradas e os aspectos económcos são menos crítcos, pelo que o gerador síncrono é normalmente o conversor eleto. Em Portugal, verfca-se que a maor parte das centras mn-hídrcas está equpada com geradores síncronos, o que contrara a regra exposta acma. Uma prmera razão que ocorre para explcar esta stuação prende-se com o facto de, ao tempo em que as mn-hídrcas se começaram a espalhar pelo país (década de otenta), não haver experênca de operação das máqunas assíncronas no funconamento como gerador 12. Esta crcunstânca terá levado os projectstas a tomarem uma attude de prudênca e a optarem por soluções com mértos comprovados. Outra razão tem a ver com a operação das turbnas. Para quedas baxas, característcas da maor parte das aplcações mn-hídrcas, a velocdade da turbna também é baxa 13. Ora, os fabrcantes de motores de ndução não oferecam soluções equpadas com multpólos, porque não tnham aplcação na ndústra. Nestas condções, o uso deste tpo de conversor obrgava a recorrer a uma caxa de engrenagens para adaptação de velocdades. Independentemente do tpo construtvo, o custo dos geradores aumenta sensvelmente com o número de pólos, ou seja, dmnu com o aumento da velocdade nomnal. Daí a vantagem económca assocada ao uso de multplcadores de velocdade e geradores de ndução. 11 Esta opção é dscutda, em pormenor, noutro capítulo da dscplna. Na sequênca, abordam-se, apenas, aspectos específcos da aplcação em CMH. 12 Hoje em da a stuação é dferente, dada a experênca entretanto adqurda do funconamento da máquna assíncrona como gerador em aprovetamentos eólcos. 13 Da ordem de 500 a 1000 rpm.
Metodologa na Fase de Anteprojecto 24 Contudo, este conjunto também apresentava nconvenentes de monta: redução do rendmento e, consequentemente, da energa produzda, mas manutenção, menos fabldade, construção especal para protecção contra embalamento. Tudo vsto e ponderado, levou os projectstas a escolher a solução habtual em aprovetamentos hdroeléctrcos, consttuída por grupos turbna alternador, que dspensam a caxas de velocdades. O gerador assíncrono dspensa um sstema de exctação, sendo esta fornecda pela própra rede à qual está lgado. A consequênca é que o gerador assíncrono absorve energa reactva, que deve ser localmente gerada por meo de uma batera de condensadores, para evtar o nconvenente trânsto de energa reactva através da rede. A Fgura 12 lustra a relação entre a potênca actva njectada na rede e a potênca reactva absorvda por um gerador de ndução. 75 50 Q/Pn (%) 25 0 0 25 50 75 100 P/Pn (%) Fgura 12: Potênca actva njectada, P, e potênca reactva absorvda, Q, no gerador de ndução (Pn potênca nomnal).