Apostila - Noções de Geração, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
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NOÇÕES DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Três Irmãos 2006 01. INTRODUÇÃO O mundo, no seu desenvolvimento cada vez mais necessita de energia utilizando-a em suas mais diversas formas, a partir das mais variadas fontes. Atualmente, uma das formas de energia mais utilizadas é a elétrica, obtida através de outras formas, tais como: Energia Hidráulica (gravitacional), Energia Térmica, Energia Química, Energia Nuclear e Energia Eólica. A Energia Elétrica é produzida pelas Centrais Elétricas, através da transformação de uma outra forma de energia (hidráulica, atômica, etc.), dita primária, em energia motriz, e, a seguir, em Energia Elétrica. Apresentamos, na figura 1, as centrais existentes, a energia primária utilizada e as diversas formas de energia em que é transformada, até chegar à energia elétrica. Abordaremos o princípio de funcionamento das centrais mais utilizadas com ênfase especial às hidroelétricas. Usina Hidroelétro. Home cado à) Usina Eolielé- |yycina Maremotriz | Usina Solar — | Usina Nuclear — | Usina Termelétrica tra Usina Reversível Elemento Deslocamento dol Água T Utilizado Ar 9 Radiação Solar Átomo Combustível Energia Energia Energia Energia Energia Eólica hidráulica Solar Nuclear Química Tipos de Energia trans- formada no processo |Cnema lerda le] Energia Térmica Energia Mecânica Fig. 01 - O processo de transformação, desde a energia primária até a energia elétrica, para os diversos tipos de Centrais Elétricas. Energia Elétrica 02. USINA NUCLEAR Uma Usina Nuclear é semelhante a uma térmica convencional: ambas utilizam o vapor, para movimentar uma turbina e um gerador, para produzir energia elétrica. A energia térmica do vapor é convertida em energia mecânica na turbina, e o gerador (alternador) converte esta energia mecânica em energia elétrica. A diferença é a origem do vapor: enquanto as usinas térmicas convencionais utilizam energia da combustão dos derivados do petróleo ou carvão, as usinas convencionais, a queima dos combustíveis produz quantidade de calor suficiente para mudar o estado da água de sólido para gasoso (vapor). Na usina nuclear não existe queima de combustíveis fósseis, mas sim a fissão nuclear. Em 1939, cientistas descobriram que os núcleos de certos átomos, ao serem bombardeados por partículas subatômicas chamadas nêutrons, dividem-se em dois fragmentos chamados produtos de fissão. Estes fragmentos, após a fissão, adquirem grande velocidade e, ao se chocarem com os átomos, geram calor. Este calor é então transmitido direta ou indiretamente para a água, produzindo o vapor. E É) E] E] E 8 b E) ê ES fd O importante é que, na reação da fissão, além da FRAGMENTO ! q le DE FISSÃO energia liberada, dois ou três novo nêutrons são » emitidos. Estes nêutrons, ao colidirem com outros núcleos de urânio, provocam uma reação NÚCLEO 0 semelhante, originando a chamada reação em a O — o NEUTRONS cadeia. NEUTRON E O reator nuclear é, pois, um dispositivo onde mesciopEssioTPEA O soxcuento mantemos sob controle uma reação em cadeia. Para Feu a produção de energia, é importante mantermos a reação em cadeia, pois, para se produzir um watt de potência, necessitamos de 30 bilhões de fissões por segundo. Para controlarmos a potência térmica de um reator nuclear, devemos poder variar esta taxa de fissões ou em outras palavras, variar o “nível” de neutrôns disponíveis no núcleo do reator. Isto é feito pelos chamados “venenos”, que são substâncias como o boro e o cádmio, que apresentam alto coeficiente de absorção de nêutrons; estas substâncias, ao serem introduzidas no núcleo, “baixam” o “nível” de nêutrons e, sendo retiradas, “elevam” este “nível”. [Generator] Condenser The energy released from the chemical reaction is used to boil water. CENTRAL NUCLEAR 2.1 - ENERGIA EÓLICA O homem aprendeu há séculos, como aproveitar a força dos ventos para gerar energia: na Ilha de Creta já existiam cata-ventos e na Holanda, há centenas de anos os moinhos integram e compõem a paisagem. Hoje, diante da crise energética que atinge o mundo, renova-se o interesse pela energia eólica. Longe de significar um retrocesso tecnológico, o uso dos cataventos pode representar, a médio prazo, uma alternativa muito interessante para o país, porque, além de bombear água e moer grãos, duas tarefas tradicionais, os modernos geradores eólicos abrem caminho para novas e surpreendentes aplicações. O catavento é um sistema composto de rotor, multiplicador de velocidade (caixa de engrenagens) e um gerador eólico. Ele não é estático: possui uma base giratória que o orienta sempre na direção do vento. O rotor é o conjunto de pás da hélice,que recebe à energia mecânica. O potencial energético eólico, retirado do vento, está em função da superfície do sistema rotor: quanto maior o comprimento das pás, maior o potencial. Também depende da velocidade do vento, da densidade de arrasto, que por sua vez depende da geometria das pás. O tipo de material empregado também influi no desempenho do rotor. O ângulo das pás é determinado de tal forma que, a partir de ventos de três metros por segundo, o catavento começa a girar. Por questão de segurança do material das pás, o vento máximo considerado é de oito metros por segundo. Nesta situação, a pá fica em “passo- bandeira”, isto é, o rotor gira sem sofrer efeito dos ventos, ocasião em que é obtida máxima potência elétrica. Há um controle automático que torna a potência constante. A estrutura do conjunto em princípio, deve suportar ventos de até sessenta metros por segundo ou duzentos quilômetros por hora, um tufão. Existe, portanto, um limite na rotação do eixo. Contudo, o gerador elétrico trabalha com maior eficiência se a rotação for mais alta. Então, acopla-se ao conjunto um multiplicador de velocidade: o rotor gira devagar, mas o gerador, graças ao multiplicar, trabalha em alta rotação. Do gerador sai um cabo que é conectado a um banco de bateria no qual é armazenada a energia elétrica. A estrutura do conjunto em princípio, deve suportar ventos de até sessenta metros por segundo ou duzentos quilômetros por hora, um tufão. Existe, portanto, um limite na rotação do eixo. Contudo, o gerador elétrico trabalha com maior eficiência se a rotação for mais alta. Então, acopla-se ao conjunto um multiplicador de velocidade: o rotor gira devagar, mas o gerador, graças ao multiplicar, trabalha em alta rotação. Do gerador sai um cabo que é conectado a um banco de bateria no qual é armazenada a energia elétrica. 2.2- ENERGIA QUÍMICA Uma das opções para produção de energia a baixo custo, que vem apresentando resultados favoráveis e já difundido em vários países, é o biogás. Apesar de ser conhecido há muito tempo, só mais recentemente os processos de obtenção do biogás vêm se desenvolvendo com objetivos práticos em maior amplitude, objetivando sua utilização como energético. O BIOGÁS O Biogás, basicamente é composto de uma mistura de gases contendo principalmente metano e dióxido de carbono, encontrando-se ainda, em menores proporções, gás sulfídrico e nitrogênio. A formação do biogás é comum na natureza. Assim ele é encontrado em pântanos, lamas escuras, locais onde a celulose sofre decomposição naturalmente. O Biogás é um produto resultante da fermentação, na ausência de ar, de dejetos animais, resíduos vegetais e de lixo orgânico industrial ou residencial, em condições adequadas de umidade. A reação desta natureza é denominada digestão anaeróbica. O principal componente do biogás é o metano, representando 60 a 80% na composição do total da mistura. O metano é um gás incolor, inodoro, altamente combustível, queimado com chama azul-lilás, sem deixar fuligem e com um mínimo de poluição. Em função da porcentagem com que o metano participa na composição do biogás, o poder calorífico deste pode variar de 5000 a 7000 Kcal por metro cúbico. n.o:0053 Energia: Biomassa/Biogés Título: Produção de electricidade e calor através do biogás do aterro de Sermonde Fonte: = Autor Local da Instalação: Sermonde - V.t. De Gaia Descrição: Sistema de aproveitamento de Blogs Esquema Representativo 1. Caixa de alimentação 2. Câmara de digestão 3. Gasômetro 4. Guia do gasômetro 5. Parede divisória 6. Caixa de saída do afluente 7. Depósito do Biogás produzido BIODIGESTOR INDIANO 2.3 - ENERGIA SOLAR Os países desenvolvidos estão investindo grandes somas em pesquisas e equipamentos solares. Alguma destas nações tem inclusive, menores possibilidades de utilização de energia solar do que países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento. Processo Térmico Dentro da classe da conversão térmica existem três tipos de aplicações: de baixa temperatura, de média temperatura e de alta temperatura. & processo de baixa temperatura é aplicável a utilidades domésticas e, eventualmente, industriais como os pré-aquecedores. * processo de média temperatura permite a utilização da energia solar para aplicações industriais como geração de vapor ou calor na faixa de 150-350ºC. é A alta temperatura, teríamos a geração elétrica por conversão térmica da energia solar. Algumas aplicações desses processos já atingiram estágio comercial, como os coletores planos estão dispostos no teto. Estes coletores são usados para pré-aquecimento da água. Os coletores para uso industrial utilizam artifícios como a concentração do feixe de energia solar por dispositivos concentração do feixe de energia solar por dispositivos concentradores, que são refletores parabólicos ou cilindrico-parabólicos, que convergem o feixe de energia para uma área menor. Sunlight shines on the reflective shell. The shell gathers the sun into a concentrated beam, which is sent to another mirror. This mirror sends the beam of light through a gap in Gap] the shell. COLETOR PARABÓLICO Os coletores domésticos e industriais são constituídos de uma superfície de absorção de energia calorífica, fundamentada na lei do corpo negro e com superfície condutora desta energia, ou seja, uma superfície fechada ou circuito fluido, que absorve esse calor e o transporta para o local de utilização. A energia solar é convertida em energia térmica na superfície absorvedora, a qual recebe uma camada seletiva por vários processos: pintura, deposição, spray, etc. A aparência dessa camada aproxima-se do corpo negro ideal da física, que é definido como um objeto que absorve toda e não reflete nenhuma radiação incidente sobre ele. Conversão Fotovoltaica Os sistemas de conversão fotovoltaica são constituídos, basicamente, por dispositivos denominados células fotovoltaicas, que têm a finalidade de converter diretamente a energia solar (radiação eletromagnética) em energia elétrica. A célula fotovoltaica é formada por um disco de silício onde são introduzidas certas impurezas (fósforo, boro, etc) que o transformam num semicondutor de características especiais. A superfície desse disco sofre tratamento para absorver a luz solar, sem refleti-la, de modo que haja máximo aproveitamento da energia contida na radiação solar. A incidência dos fótons (quanta de energia) da energia solar sobre a superfície cristalina é energeticamente maior do que a energia de ligação dos átomos que formam esta rede cristalina. Isso provoca o deslocamento de elétrons da camada externa daquela superfície, formando pares lacuna-elétrons que vão atravessando a massa cristalina. Não sendo interceptados pelos grãos de cristais, atingem a rede coletora (malha metálica fina adicionada sobre a superfície do par semicondutor), produzindo a corrente elétrica. Conversor Fotovoltaico | 24.2 - Combustíveis 2.4. USINAS TERMOELÉTRICAS - Combustíveis sólidos Emprega-se quase exclusivamente a hulha e em certas regiões, a linhita. Central termoelétrica a vapor - Combustíveis líquidos Utiliza-se o "fluek-oil” obtido pela destilação do petróleo. 24.1-Componentes - Combustíveis gasosos Algumas siderúrgicas onde os altos fornos produzem gazes como subprodutos Uma Central Térmica compõe-se de uma série de elementos, sendo que cada um utilizam-no como combustível numa usina termoelétrica. transforma a energia que recebe do precedente numa energia que transmite ao seguinte, para obter finalmente a energia elétrica. 24.2- A Caldeira A Caldeira é constituída de tubos de aço especial, ligados a um cilindro situado na parte superior. Os tubos contendo água circulam internamente na câmara de combustão. O cilindro denomina-se balão e tem por finalidade receber o suprimento de água e coletar o vapor gerado na tubulação. LMENTÇÃO mua 3 ngm fo SEGURANÇA DEAGUR A IRETO DO CALOR. CALDEIRA PROCESSO DE OBTENÇÃO DE ENERGIA ELETRICA NUMA CENTRAL TERMICA 244- O Condensador 24.5 - A Turbina A Turbina a vapor é um motor situado entre a caldeira, que é fonte quente e o O condensador tem a função de condensar o vapor que produziu um trabalho na turbina. condensador, que é a fonte fria. Expandindo-se o vapor d'água aumenta sua velocidade. Pode-se transformar esta expansão em trabalho mecânico. Aproximando-se o jato de vapor A condensação se efetua por troca de calor entre a água fria e o vapor que passa através de uma rocha munida de palhetas, esta começa a girar. de um grupo de tubos contidos em um reservatório. Bombade O CONDENSADOR era e Ia fes [GTS Re ro a fo) A TURBINA 2.4.6. O Alternador Os Altemadores acoplados às turbinas a vapor têm por características girar em altíssimas velocidades (3600 rpm). Sendo os esforços centrífugos muito elevados, a construção do rotor ou indutor deve ser esmerada e especial cuidado deve ser dado à fixação das bobinas das ranhuras. PO] ad PT [E Pre FIELD DELA UC] ELECTRIC GENERATOR ROTOR DE UM GERADOR DE CENTRAL TÉRMICA O Estator ou induzido é constituído de uma corda de ferro laminado provida de entalhes onde são alojadas as bobinas. Cada bobina é varrida pelo fluxo de indução emitido pelos pólos do rotor. ERA PT TE Eu E DA a aa ps E) [A Estator 24.7-Serviços Auxiliares Numa central termoelétrica, os serviços auxiliares são muito importantes e os motores que movimentam as bombas, os ventiladores, os britadores, os trituradores, etc, exigem uma potência elevada e são, muitas vezes, alimentados em alta tensão. Existe ainda uma bateria de acumuladores que alimenta os circuitos de comando e segurança. REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UMA CENTRAL TÉRMICA DE VAPOR REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UMA TERMOELÉTRICA. Abastecimento de carvão; Tela; Forno; inza; 1 2 3 4. 5. Conduto de vapor; é à 7 8 Chaminé; Caldeira; . Aquecedor primário; 9. Turbina de alia pressão; 10. Aquecedor secundário; 11. Turbina de média pressão; 12. Turbina de baixa pressão; 13. Condensador; 14. Bomba de exiração do condensador; 15. Pré-aquecedores da água de alimentação; 16. Bomba de alimentação da caldeira; 17. Economizador de água de alimentação; 18. Torre de refrigeração; 19. Bomba de circulação da água de refrigeração; 20. Exiração de vapor para os circuitos primários dos pré-aquecedores da água de alimentação; 21. Turbo-gerador; triz; to de energia elétrica a média tensão; 24. Transformador elevador; ircuito de energia elétrica a alta tensão. 2.5-USINAS MAREMOTRIZES Um sistema conhecido desde a antiguidade, que permite explorar a energia das marés, é o dos moinhos, dispositivos muito conhecidos em todo o mundo. Suponhamos uma barragem provida de uma comporta. Quando a maré sobe causando um desnível, pode-se abrir a comporta, surgindo um fluxo de água que poderá ser aproveitado para girar uma roda rústica ou até uma turbina. No mundo existe somente uma usina desse tipo, na França (Rio Rance), onde as marés são singularmente regulares e de maior amplitude. Dificuldades de toda classe têm impedido que vários projetos se transformassem em realidade. A experiência adquirida na construção e funcionamento da usina do Rio Rance servirá sem dúvida, para a construção de futuras centrais e, naturalmente, serão os franceses que levarão a dianteira na técnica de construção de usinas maremotrizes. N.º:0008 Energia: Ondas Título: Sistama no Pico-Exterior Prof. António Falcão - Acores mente da energia das ondas tipo coluna de água oscilante 03. USINA HIDROELÉTRICA Utiliza a energia decorrente da diferença de níveis nas quedas dos rios. Com isso consegue-se uma pressão e, através das barragens, um volume de água necessário para movimentar turbinas e estas, os geradores. 3.1-CLASSIFICAÇÃO - Usina de base É aquela em que seu fator de capacidade fica entre 75 a 100% ou seja, sua carga é quase sempre constante. - Usina de Ponta É aquela em que seu fator de capacidade varia muito ou seja, sua potência varia de acordo com a curva de carga. - Usina Fio d'água É aquela em que a potência instalada é igual à descarga mínima do rio. - Usina com Reservatório É aquela em que a potência instalada é igual ou superior à vazão média do rio. - Usina Fio d'água, sem reservatório É aquela que não possui reservatório ou seja, funciona com o próprio curso do rio. - Usina Fio d'água, com reservatório Possui reservatório, mas sua vazão de engolimento é muito elevada e necessita de uma regularização diária, semanal, quinzenal ou mensal. - Usina com bacia de acumulação Possui um reservatório de capacidade tal que sua regularização é anual ou estacionária. - Usina com reservatório por bombeamento Esta usina possui dois reservatórios, um superior e outro inferior. Nas horas de ponta de carga, utiliza água do reservatório superior para gerar energia elétrica, acumulando-a no reservatório inferior para o superior, utilizando energia gerada por outras usinas. MW 6600 6600 6400 CURVA DE CARGA DE UM DIA TÍPICO 6400 6200 6200 6000 6000 5800 5800 5600 5600 5400 5400 5200 5200 5000 5000 4800 4800 4600 4600 4400 4400 4200 4200 4000 4000 3800 3800 3600 3600 012345678 910111213141516 1718192021 222324 Tempo horas 3.2-CONSTITUIÇÃO DE UMA HIDROELÉTRICA 3.21-Barragem - Definição Estrutura hidráulica destinada a obstruir uma curso d'água. Elementos que constituem uma barragem: - Face ou talude montante . Face ou talude jusante . Crista . Maciço Base . Fundação - Reservatório asutwn 3.2. ipos de barragem Quanto ao material: - Barragem de concreto - Barragem de terra - Barragem de enrocamento - Barragem de enrocamento formada de terra e pedra. SPARLES SERENO cyreomecunmos Zona de Transição BARRAGEM DE ENROCAMENTO 3.3-VERTEDOURO 331-D ção: - Estrutura hidráulica que serve para deixar passar a água excessiva das cheias, sem o perigo de danificar a barragem. 3.3.2-Condições que o Vertedouro deve satisfazer: - Em regime normal: Manter o nível do reservatório ao máximo, para um bom rendimento dos grupos geradores, ficando um intervalo até o nível máximo de segurança. - Em período de cheias: Se necessário, deve permitir o escoamento da vazão máxima, mantendo a segurança da barragem, procurando minimizar danos à jusante. - Vertedouro tulipa 3.3.3-Classificação dos vertedouros: Utilizando onde as barragens são de terra ou enrocamento. - Vertedouros de fundo - Vertedouros de superfície 3.34-Tipos de vertedouros de superfície: - Vertedouro Tipo Bacia MONTANTE — —+— JUSANTE VERTEDOURO TIPO BACIA VERTEDOURO TIPO TULIPA - Vertedouro com ressalto hidráulico - Vertedouro Salto de SKI É o mais utilizado. Recebe tal nome devido à evolução que a água faz. (Espécie de um trampolim no final da pista). Fig. 21 - VERTEDOURO SALTO DE SKI - Setor ou Segmento 3.4-COMPORTAS Comporta em forma de arco de círculo, utilizada na maioria dos Vertedouros. 34.1-Definição: - São órgãos responsáveis pelo controle do escoamento d'água. São utilizados em diversos locais, tais como: vertedouros, tomada d'água, canal de fuga, etc. - Podem ser acionadas por meio de: - Correntes; - cabos de aço; . Servo-motores. 3.4.2-Tipos de comportas - Deslizante Esse é o tipo mais primitivo de comportas. COMPORTA EM FORMA DE ARCO DE CÍRCULO ad a COMPORTA TIPO DESLIZANTE - Wagon Os roletes fazem parte da própria comporta. COMPORTA TIPO WAGON 3.5-TOMADA D'ÁGUA - Componente de uma usina que capta água no reservatório, conduzindo-a para a turbina. 35. ipos de Tomada D'água - Tomada d'água em carga Conduto - Tomada d'água de coluna 3.7-CARACOL Utilizada principalmente, quando a barragem não é constituída de concreto. Estrutura em forma de caracol, que envolve toda a turbina dando à água um movimento turbilhonado. TOMADA D'ÁGUA DE COLUNA 3.6-CONDUTO FORÇADO Elemento que liga a água sob pressão até as turbinas. CARACOL CONDUTO FORÇADO 3.8-DISTRIBUIDOR Êo órgão que controla o escoamento da água pela turbina variando sua potência. BIELAS DE COMANDO ANELDE — REGULAÇÃO MANIVELA PÁ DIRETRIZ DESESNHO ESQUEMÁTICO DO DISTRIBUIDOR CONSTITUIÇÃO É constituído de uma série de pás diretrizes móveis, ligadas ao anel do distribuidor, e este ao servo-motor. 3.9. TURBINAS 3.9.1. Definição: - São órgãos que transformam a energia hidráulica em energia mecânica. 39.2. Tipos de Turbinas - Turbina Pelton Também conhecida como turbina de ação, pois utiliza a energia cinética da água. É utilizada nas grandes quedas, isto é, acima de 200 m. TURBINA PELTON - Turbinas Francis Utilizada nas médias quedas (30 a 200 m). Também chamada de reação, pois utiliza a energia da água na forma de pressão mais a energia cinética. VISTA EM PERSPECTIVA DE UMA TURBINA FRANCIS - Classificação das Turbinas Francis a) Lentas - 70 a 120 RPM; b) Médias - 120 a 200 RPM; c) Rápidas - 200 a 300 RPM; d) Extra-Rápidas - 300 a 400 RPM; - Turbina Kaplan Utilizada nas pequenas quedas d'água (de 1 a 30 m). Atualmente há estudos para aplicação em quedas mais altas. DES. ESQUEMÁTICO DE UMA TURBINA KAPLAN - Possui a forma de uma hélice e suas pás móveis - Também é uma turbina de reação por utilizar a energia da água em forma de cinética e pressão. Sua grande vantagem reside na mudança do ângulo da pá. 3.10. CANAL DE FUGA 3.11-ALTERNADOR 3.10.1-Finalidade: 3.11.1-Definição: - Dirige o escoamento da água para o exterior, após passar pela turbina. Elemento responsável pela transformação da energia mecânica fornecida pela o. turbina, em energia elétrica. PÓRTICO DA COMPORTA MONTANTE . 3.11.2-Princípios Básicos: PÓRTICO DOS STOP LOGS E LIMPA-GRADE - Movendo-se um imã próximo a uma bobina, nela surge uma tensão induzida. DO Ha GERADOR ELEMENTAR DE CORRENTE ELÉTRICA CORTE ESQUEMÁTICO DAS INSTALAÇÕES HIDRÁULICAS DE UMA HIDROELÉTRICA 3.11.3-Geração Industrial Usa-se uma série de bobinas convenientemente associadas (estator) que, envolvendo o indutor (rotor), são sede da tensão induzida. O indutor (rotor) e ligado ao eixo da turbina e é responsável pelo campo magnético giratório. ROTOR ALTERNADOR ud ESTATOR -,MANCAIS SN “= qurenna ESQUEMA DE UM ALTERNADOR, COM A TURBINA
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