Energia Hidráulica - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)
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Brigadeiro6 de Março de 2013

Energia Hidráulica - Apostilas - Fisica, Notas de estudo de Física. Universidade do Estado do Amazonas (UEA)

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Apostilas de Física sobre o estudo da Energia Hidráulica, exemplos de maquinas hidráulicas.
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Energia Hidráulica

A energia hidráulica ou energia hídrica é a energia obtida a partir da energia potencial de uma massa de água. A forma na qual ela se manifesta na natureza é nos fluxos de água, como rios e lagos e pode ser aproveitada por meio de um desnível ou queda d'água. Foi, porém, no século XIX que o aproveitamento dessa forma de energia se tornou mais atraente do ponto de vista econômico, pois, com a invenção dos grupos turbinas-geradores de energia elétrica e a possibilidade do transporte de eletricidade a grandes distâncias, se conseguiu obter um elevado rendimento econômico desse aproveitamento.

A água não pode gerar energia a menos que esteja fluindo de cima para baixo. O homem usa os efeitos da gravidade, que puxa a água para baixo, ao aproveitar a água para a produção de energia.

Mas é preciso usar um sistema mecânico para transformar em energia útil a força de uma queda-d'água, sendo que nenhum sistema mecânico é capaz de aproveitar toda a energia potencial. A energia que o sistema mecânico desenvolve é calculada multiplicando-se a energia potencial da queda-d'água pela porcentagem potencial que se usa.

Pode ser convertida na forma de energia mecânica (rotação de um eixo) através de turbinas hidráulicas ou moinhos de água. As turbinas por sua vez podem ser usadas como acionamento de um equipamento industrial, como um compressor, ou de um gerador elétrico, com a finalidade de prover energia elétrica para uma rede de energia.

A potência hidráulica máxima que pode ser obtida através de um desnível pode ser calculada pelo produto:

P = ρQHg

Em unidades do sistema internacional de unidades (SI)

* Potência(P): Watt(W)

* Queda(H): m

* Densidade(ρ): kg / m3

* Vazão volumétrica(Q): m3 / s

* Aceleração da gravidade(g):m / s2

É necessário que haja um fluxo de água para que a energia seja gerada de forma contínua no tempo, por isto embora se possa usar qualquer reservatório de água, como um lago, deve haver um suprimento de água ao lago, caso contrário haverá redução do nível e com o tempo a diminuição da potência gerada (ver equação acima). As represas (barragens) são nada mais que lagos artificiais, construídos num rio, permitindo a geração contínua.

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As represas podem ser importantes pois caso a água fosse coletada diretamente de um rio, na medida em que houvesse uma redução da vazão do rio, como em uma época de estiagem, haveria redução da potência gerada. Assim com a formação de um lago (reservatório da barragem), nas épocas de estiagem pode-se usar a água armazenada, e se este for suficientemente grande poderá atender a um período de estiagem de vários meses ou mesmo plurianual.

No Brasil, devido a sua enorme quantidade de rios, a maior parte da energia elétrica disponível é proveniente de grandes usinas hidrelétricas. A energia primária de uma hidrelétrica é a energia potencial gravitacional da água contida numa represa elevada. Antes de se tornar energia elétrica, a energia primária deve ser convertida em energia cinética de rotação. O dispositivo que realiza essa transformação é a turbina. Ela consiste basicamente em uma roda dotada de pás, que é posta em rápida rotação ao receber a massa de água. O último elemento dessa cadeia de transformações é o gerador, que converte o movimento rotatório da turbina em energia elétrica.

Um rio não é percorrido pela mesma quantidade de água durante o ano inteiro. Em uma estação chuvosa, é claro, a quantidade de água aumenta. Para aproveitar ao máximo as possibilidades de fornecimento de energia de um rio, deve-se regularizar-se a sua vazão, a fim de que a usina possa funcionar continuamente com toda a potência instalada.

A vazão de água é regularizada pela construção de lagos artificiais. Uma represa, construída de material muito resistente - pedra, terra, freqüentemente cimento armado - , fecha o vale pelo qual corre o rio. As águas param e formam o lago artificial. Dele pode-se tirar água quando o rio está baixo ou mesmo seco, obtendo-se assim uma vazão constante.

A construção de represas quase sempre constitui uma grande empreitada da engenharia civil. Os paredões, de tamanho gigante, devem resistir às extraordinárias forças exercidas pelas águas que ela deve conter. Às vezes, têm que suportar ainda a pressão das paredes rochosas da montanha em que se apóiam.

Para diminuir o efeito das dilatações e contrações devidas às mudanças de temperatura, a construção é feita em diversos blocos, separados por juntas de dilatação. Quando a represa está concluída, em sua massa são colocados termômetros capazes de transmitir a medida da temperatura a distância; eles registram as diferenças de temperatura que se possam verificar entre um ponto e outro do paredão e indicam se há perigo de ocorrerem tensões que provoquem fendas.

Diagrama de um gerador de uma usina que utiliza da energia hidráulica.

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Exemplos de maquinas hidráulicos

-Prensa hidráulica

-Bombas hidráulicas

Uma bomba manual: Esta é a bomba mais comum: é barata e fácil de usar, mas requer esforço físico e leva algum tempo para se obter altas pressões.

Uma pequena bomba hidraulica com acionamento elétrico.

A potência

A energia que pode ser fornecida por unidade de tempo chama-se potência, e é medida em watt (W). Como as potências fornecidas pelas usinas hidrelétricas são muito grandes, sempre expressas em milhares de watts, utiliza-se para sua medida um múltiplo dessa unidade, o quilowatt (kW), que equivale a 1.000 W.

A potência de uma fonte de energia elétrica pode ser calculada multiplicando-se a tensão em volts que ela é capaz de fornecer pela corrente em ampères que distribui. Dessa maneira, uma fonte capaz de distribuir 1.000 A com uma tensão de 10.000 V possui uma potência de 10 milhões de watts, ou 10.000 kW.

Uma linha de transmissão, portanto, é capaz de transportar a mesma potência de duas maneiras: com voltagem elevada e corrente de baixa intensidade, ou com voltagem baixa e alta corrente.

Quando a energia elétrica atravessa um condutor, transforma-se parcialmente em calor. Essa perda é tanto maior quanto mais elevada for a intensidade da corrente transportada e maior for a resistência do fio condutor. Assim, seria conveniente efetuar a transmissão da energia elétrica por meio de fios muito grossos, que apresentam menos resistência. Porém, não se pode aumentar excessivamente o diâmetro do condutor, pois isso traria graves problemas de construção e transporte, além de encarecer muito a instalação. Assim, prefere-se usar altos valores de tensão, que vão de 150.000 até 400.000 V.

A energia elétrica produzida nas centrais não é dotada de tensão tão alta. Nos geradores, originalmente, essa energia tem uma tensão de cerca de 10.000 V. Valores mais altos são inadequadas, porque os geradores deveriam ser construídos com dimensões enormes. Além disso, os geradores possuem partes em movimento e não é possível aumentar arbitrariamente suas dimensões.

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A energia elétrica é, pois, produzida a uma tensão relativamente baixa, que em seguida é elevada, para fins de transporte. Ao chegar às vizinhanças dos locais de utilização, a tensão é rebaixada. Essas elevações e abaixamentos são feitos por meio de transformadores. Potência = ρ.g..Q.H Energia = Potência x Tempo.

O gerador

O gerador é um dispositivo que funciona com base nas leis da indução eletromagnética. Em sua forma mais simples, consiste numa espira em forma de um círculo. Ela fica imersa num campo magnético e roda em torno de um eixo perpendicular às linhas dessa área.

Quando fazemos a espira girar com movimento regular, o fluxo magnético que atravessa sua superfície varia continuamente. Surge assim, na espira, uma corrente induzida periódica. A cada meia volta da espira o sentido da corrente se inverte, por isso ela recebe o nome de corrente alternada.

Conversão Hidromecânica

Podemos converter energia hidráulica em energia mecânica através da roda d água. Existem rodas horizontais e verticais. A água, ao incidir sobre as pás de uma roda, exerce uma força que a move. O eixo da roda é ligado a um conjunto de engrenagens que move algum tipo de mecanismo como a moenda de cereais, de tecelagem, de serragem, de carga etc. O sistema de engrenagens serve para modificar a potência transmitida ou a velocidade do mecanismo final.

Devido a um desnível h, a água que desce por um duto tem sua energia potencial, U = mgh, convertida em energia cinética, K = mv2/2, que, por sua vez, é convertida em energia rotacional da roda. Assim, efetivamente, ocorre a conversão da energia potencial da água em energia cinética rotacional da roda. Existem situações em que não há um desnível, mas a água possui energia cinética suficiente para girar rodas, resultando também em conversão hidromecânica. Devido a dissipações resultantes do atrito entre as componentes do sistema, a energia rotacional não é exatamente igual à mgh, mas menor. As atuais turbinas são rodas modificadas de modo a aumentar a eficiência da máquina. Hoje em dia, as turbinas hidráulicas chegam a ter uma eficiência de 95%, isto é, 95% da energia hidráulica são convertidas em energia mecânica.

Conversão Hidroelétrica

A conversão da energia hidráulica em elétrica é feita em duas etapas: na primeira, a energia hidráulica é transformada em energia mecânica rotacional da turbina, e na Segunda, ocorre à conversão mecanoelétrica, isto é, essa energia mecânica é convertida em energia elétrica. A corrente e as voltagens geradas por uma usina são transmitidas e distribuídas por sistemas

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constituídos por grandes extensões de cabos, suportados por altas torres, pois, em geral, as usinas estão situadas em regiões relativamente afastadas dos centros consumidores.

A transformação da energia mecânica em energia elétrica se baseia no fenômeno de indução eletromagnética, descoberto por Michael Faraday em 1.831. Uma espira condutora colocada no campo magnético à B de um ímã permanente gira em torno de um eixo perpendicular a B. Esse movimento provoca uma variação senoidal do fluxo de à B com o tempo através da espira, e conseqüentemente, uma corrente alternada AC é induzida nela. Se forem ligados dois fios aos extremos da espira, aparecerá uma tensão alternada entre eles. Pode-se também induzir corrente se, ao invés da espira, o ímã for girado em torno dela.

Os geradores elétricos utilizados em usinas de energia elétrica possuem, em geral, um eletroímã no lugar do ímã permanente, e um conjunto de bobinas que forma a armadura no lugar da espira. O eixo da turbina pode estar ligado ao eletroímã ou à armadura. Assim, quando a turbina gira, devido ao impacto da água, ela produz um movimento rotacional relativo entre o eletroímã ou da armadura determina a freqüência da corrente alternada produzida. Desse modo, a freqüência de 60hz significa que o fluxo magnético através da armadura se alterna entre os valores positivos e negativos 60 vezes por segundo, e conseqüentemente, o mesmo ocorre com a corrente e a tensão. No Brasil, a freqüência da rede elétrica é 60hz enquanto que as do Paraguai e da Inglaterra são 50hz.

Em geral, a tensão alternada produzida pelos geradores é relativamente baixa. Assim, para que se possa abastecer diferentes centros utilizando linhas de transmissão, essa tensão é aumentada até centenas ou milhares de kV por meio de transformadores. Ao atingir os centros de consumo, a tensão é reduzida, por exemplo, a algumas dezenas de kV, pelos transformadores das subestações e distribuída para o público.

Apesar da corrente produzida pelo método descrito ser alternada, ela pode ser retificada e transmitida como corrente contínua – DC. Uma inconveniência da adoção de DC é a necessidade de se usar retificadores na saída de usinas e alternadores antes das subestações, uma vez que os transformadores e motores em geral utilizam corrente alternada. Isso aumenta muito o custo de sua instalação. Entretanto, como a tensão é estável, as perdas nas linhas de transmissão são essencialmente por calor (por efeito Joule ou ôhmicas), enquanto que nas linhas AC existem grandes perdas por irradiação eletromagnética, além das ôhmicas.

A transmissão de corrente alternada utiliza três cabos enquanto que a de corrente contínua necessita apenas de dois. Esse é um aspecto que favorece a escolha de linhas DC. Para uma mesma tensão efetiva, a tensão pico AC é maior (da ordem de 30-40%) que a tensão DC, que é constante. Dessa maneira, tanto as torres de transmissão como os isoladores para linhas DC podem ser menores que para linhas AC. Entretanto, essas vantagens só se tornam economicamente compensadoras para transmissões a longas distâncias, maiores que 600km, já que o custo das instalações de retificação é bastante elevado. A energia elétrica a ser produzida pelo complexo de Itaipu será transmitida por linhas DC.

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Existem, atualmente, linhas de transmissão supercondutores, nas quais as perdas ôhmicas são reduzidas quase que completamente para tensões DC, e bastante para tensões AC. O material com que as linhas são manufaturadas é um supercondutor cuja resistência é extremamente baixa para temperaturas da ordem de dezenas de kelvin. Entretanto, para que essas linhas possam ser utilizadas, é necessário superesfriá-las, o que significa que é preciso consumir energia para diminuir as perdas. Assim, torna-se importante um cálculo cuidadoso para se determinar as perdas totais durante a transmissão.

O potencial hidroelétrico brasileiro está avaliado em 213.000 MW, dos quais aproximadamente 10% estão instalados. A bacia do rio Paraná é a mais aproveitada de todas as bacias hidrográficas, que incluem as dos rios Amazonas, Tocantins, São Francisco, Uruguai e as do Atlântico NE, N, L, SE. A central de Ilha Solteira é ainda a maior hidroelétrica brasileira com 3.200 MW e a seguinte é a de Jupiá, com 1.400MW.

A potência da usina de Itaipu está projetada para 12.000MW, dez vezes a de a usina nuclear Angra II.

Como a demanda da energia elétrica não é constante, existem períodos em que a energia produzida se torna ociosa, ou mesmo perdida. Assim, foram projetadas as usinas de bombeamento, que aproveitam esses períodos para operar bombas que transferem a água já circulada pelas turbinas a reservatórios adicionais à represa principal. Em períodos de demanda máxima – demanda pico – a água desses reservatórios extras também pode ser aproveitada para impulsionar turbinas geradoras. Esse método aumenta o aproveitamento das reservas naturais.

As usinas de pequeno porte, onde se aproveita uma queda d águas naturais produzem poucos impactos ambientais, uma vez que não há construção de represas. As usinas com reservatórios de acumulação e as de bombeamento causam alteração não desprezível ao meio ambiente e ao ser humano. Sua construção requer o represamento da águas de um ou mais rios.

Conclusão

A energia hidraulica simplesmente transfere forças de um ponto a ponto atraves do fluido. Este tipo de fluido transmite quase toda força em vez de absorver uma parte dela.

O fluido mais comumente usado em maquinas hidraulicas é o oleo, sendo o conceito basico é uma ação de troca entre distancia e força.

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