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Guias e Dicas
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Dimensionamento duma central mini hídrica, Exercícios de Energia

Dimensionamento duma central mini hídrica

Tipologia: Exercícios

2022

Compartilhado em 18/07/2022

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Faculdade de Engenharia
Departamento de Engenharia Electrotécnica
Engenharia Eléctrica Regime Laboral
Energias Renováveis e Produção Descentralizada
Tema: Dimensionamento de uma Central Mini-Hídrica no Rio
ERPD 2022
Nome:
Nabo, Rodrigues António
Docentes:
Regente: Doutor Eng, Manuel Jossai
Namburete Cumbi
Assistente: Eng. José Manuel Chissico
Maputo, Junho de 2022
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Faculdade de Engenharia

Departamento de Engenharia Electrotécnica

Engenharia Eléctrica – Regime Laboral

Energias Renováveis e Produção Descentralizada

Tema: Dimensionamento de uma Central Mini-Hídrica no Rio

ERPD 202 2

Nome:

Nabo, Rodrigues António

Docentes: Regente: Doutor Eng, Manuel Jossai Namburete Cumbi Assistente: Eng. José Manuel Chissico

Maputo, Junho de 202 2

Índice

1. Introdução

A Energia Eléctrica tem se caracterizado como uma fonte de energia altamente versátil, capaz

de ser utilizada nos mais diferentes meios e para as mais diferentes finalidades, suprindo desde

grandes fornos de siderúrgicas, até simples aparelhos electrodomésticos. Esta versatilidade fez

com que sua utilização aumentasse sensivelmente ao longo das últimas décadas, apresentando ainda hoje taxas elevadíssimas de crescimento.

Consequentemente, os Sistemas de Energia Eléctrica, responsáveis pelo fornecimento de

grande parte de toda a energia consumida nos dias actuais, encaram o desafio de produzir mais energia eléctrica através de fontes limpas e renováveis para suprir a demanda por energia

eléctrica.

A energia eléctrica produzida por fontes de energia renováveis resulta do aproveitamento de recursos naturais, tais como, a água, o sol, o vento, as ondas, entre outros. Estas fontes são

abundantes e o seu aproveitamento, quando realizado de acordo com as práticas adequadas, reduz

a poluição e a emissão de gases com efeito de estufa.

Os pequenos aproveitamentos energéticos são uma solução menos onerosa e mais rápida de implementação de centrais hidroeléctricas. A energia eléctrica gerada da mini-hídrica advém da

transformação de energia potencial em energia cinética e esta em eléctrica, ou seja, a água

disponível numa quota superior é encaminhada através de uma tubagem para um depósito acumulador e de seguida é encaminhada para uma pequena turbina de geração de electricidade.

Sendo uma excelente opção desde que se disponha de um curso regular de água com uma

inclinação suficiente.

O presente projecto foi elaborado no contexto do estudo de Centrais Mini-Hídricas, na

cadeira de Energias Renováveis e Produção Descentralizada.

2. Objectivos

2.1. Objectivo Geral

Consolidar os conhecimentos técnicos na área de geração de energia através do potencial

dos recursos hídricos, especificamente com o emprego de uma Central hidroeléctrica de pequeno

porte, a Mini-hídrica.

2.2. Objectivos Específicos

  • Selecção da turbina;
  • Estimativas iniciais da potência nominal instalada;
  • Estimativas iniciais da energia produzida;
  • Determinação do valor do caudal nominal ideal;
  • Dimensionamento do canal de adução para o caudal nominal encontrado;
  • Dimensionamento da turbina para o caudal nominal encontrado;
  • Escolha e dimensionamento do gerador.

3. Metodologia

Para a elaboração do deste projecto fez-se o uso de dados fornecidos pelo enunciado

disponibilizado na respectiva cadeira e recorreu-se também à bibliografias relacionadas às Centrais Mini-hídricas.

Para além da representação na figura 2, os caudais podem ainda ser organizados de uma

forma quantitativa. Conhecido os limites máximos e mínimos, para cada ano, da série de caudais em questão, pode-se contar o número de dias num ano em que um determinado caudal é igualado

ou ultrapassado. Na tabela 1 estão organizados os caudais, tendo em conta a média dos quatro

anos em análise.

Com os dados da tabela 1, é possível construir a respectiva curva de duração de caudais

que se apresenta de seguida na figura 3. Esta curva que será depois utilizada para os cálculos

energéticos e de dimensionamento.

Figura 2 Série cronológica de caudais médios diários.

Tabela 1 Organização dos caudais de forma quantitativa.

6. Apresentação de cálculos para Dimensionamento

6.1. Selecção da turbina

Conhecida a gama de caudais que ocorrem num ano médio e a altura de queda bruta do local onde

se pretende instalar a central, é agora possível seleccionar a turbina ideal. Através da tabela 2 e da figura 4 , facilmente se determina que a escolha está limitada a duas opções: turbinas Banki-Mitchell e turbinas

Kaplan.

Figura 3 Curva de duração de caudais.

Tabela 2 Gama de quedas por tipo de turbina.

Figura 4 Selecção do tipo de turbina.

6.2.2. Energia produzida

A energia produzível é proporcional a uma área de exploração associada à curva de duração de

caudais (figura 3). Começando por definir os limites de exploração, utilizando os dados da tabela 3

para a turbina seleccionada, temos que:

3 3

min máx

Q m s Q m s

Admitindo que o caudal de cheias (Qc) ocorre para um valor de 12 m^3 /s, que corresponde a um

número de dias do ano bastante reduzido, o passo seguinte passa por encontrar os tempos t 0 , t 1 e t 2. Para isso, é necessário encontrar uma equação que melhor aproxima a curva de duração de caudais

encontrada.

Na figura anterior representa-se a tracejado a curva que melhor aproxima a curva de duração de

caudais. A sua equação é:

Q t ( ) = − 3,582ln ( ) t +20,697 ( 0. 3 )

Com a expressão anterior pode-se agora calcular os tempos que correspondem, respectivamente, o

caudal de cheias, o caudal máximo e o caudal mínimo:

  • t 0 = 11,34 dias
  • t 1 = 56,44 dias
  • t 2 = 227,94 dias

A estimativa da energia produzível em ano médio é obtida através da expressão 1.4.

Tabela 3 Limites de exploração das turbinas.

Figura 5 Aproximação da curva de duração de caudais.

t Ea =  H (^) b  ^ ttQN + (^)  t Q t  kWh ( 0. 4 )

Considerando que a queda bruta e o rendimento global do aproveitamento são constantes, a energia

produzível é de, aproximadamente, 487MWh.

6.3. Determinação do valor do caudal nominal ( QN ) ideal

A determinação do valor do caudal nominal (QN) ideal para uma mini-hídrica envolve por um

lado os cálculos energéticos, abordados durante as aulas teóricas, e por outro a análise da questão

económica. O melhor valor do caudal nominal é aquele que permite retirar o maior aproveitamento energético da central com os menores custos e a melhor rentabilidade possível. Para esta central

considera-se a instalação de um grupo turbina-gerador.

Partindo da série cronológica de caudais (Q) representada na figura 2 e organizando-os por ordem decrescente, calcula-se os caudais disponíveis (Qd) através da expressão 1.5.

Qd = max ( Q − Qe ;0) ( 0. 5 )

Admite-se, neste caso, que o caudal ecológico (Qe) representa 5% do caudal nominal. Em

seguida, define-se o caudal disponível actualizado ( Qd ). Neste momento o caudal máximo (Qmáx) é

igualado ao caudal nominal. Apesar da turbina escolhida permitir um caudal máximo 25% superior ao caudal nominal (tabela 3), isso iria aumentar as perdas hidráulicas, diminuir o rendimento da turbina e

consequentemente diminuir a energia produzida.

O rendimento da turbina é calculado a partir da expressão 1. 6 , com os parâmetros da tabela 4 referentes à turbina Kaplan. A turbina é desligada quando o caudal disponível actualizado for menor

que o caudal mínimo (Qmin) que a turbina suporta.

t^1 n

Q

   Q

 c =  t  G  T  ( 1 − pdiv ) ( 0. 7 )

Recorrendo à equação 1.7 para o cálculo do rendimento global, tendo já calculado os rendimentos da

turbina assume-se que as restantes parcelas são:

Tabela 4 Parâmetros da equação do cálculo do rendimento.

A determinação da velocidade específica é feita pela equação 1 .8, sabendo que os limites

máximo e mínimo para uma turbina Kaplan estão definidos na tabela 5. No entanto, na expressão 1.

para além da velocidade específica também a velocidade de rotação da turbina é uma incógnita. Para ultrapassar esta limitação, ao recorrer à tabela 6 pode-se calcular a velocidade específica tendo apenas

de conhecer a queda útil.

A partir deste momento, é possível determinar a velocidade de rotação pela expressão 1 .8.

Conhecida a velocidade específica e a velocidade da água no canal de adução, a cavitação de uma turbina Kaplan é dada pela expressão disponível na tabela 7.

Numa perspectiva de preparar o espaço para a instalação da turbina é necessário conhecer as suas

dimensões. Os diâmetros externo e interno são dados pelas expressões 1.9 e 1.10, respectivamente:

e^ 84,5^ (^ 0, 79^ 1, 602^ QE ) 60^ u

D n H n

Di (^) nQE De

Tabela 6 Gama de velocidades por tipo de turbina.

Tabela 7 Relação entre a velocidade específica para as diversas turbinas e a queda útil

Tabela 8 Fórmulas da cavitação para turbinas de reacção.

Para a situação A, em que é instalada apenas uma turbina, considerando o caudal nominal de

5,1 m^3 /s e uma queda útil na ordem dos 3,32 metros, chega-se ao seguinte conjunto de resultados.

6.6. Escolha e dimensionamento do gerador

A escolha do gerador indicado para cada aproveitamento hidroeléctrico deve ter em conta por um

lado aspectos económicos e por outro aspectos técnicos como:

  • o modo de exploração do gerador, ou seja, se vai funcionar em paralelo com a rede ou de forma isolada;
  • as especificações impostas pela turbina, no que diz respeito ao rendimento, à velocidade nominal, à constante de inércia, ao tipo de regulação, etc.

Características do gerador a escolhido:

  • Gerador trifásico ΔY síncrono de pólos salientes, pois este adapta-se a utilização com máquinas primárias lentas, tratando-se de pequena utilização;
  • Potência em torno da potência estimada P=160 kW (considerando o caso optimista);
  • Rendimento de 95%
  • Neste caso a central estará funcionado interligada a uma rede, mas de modo isolado a regulação deve manter a tensão constante independentemente da carga a alimentar.
  • Tensão: 380V
  • Frequência: 50Hz

Tabela 9 Características gerais da turbina.

8. Bibliografia

  1. ALBARELLO, Leonardo, Guia Para A Implantação De Pequenas Centrais Hidreléctricas, Rio Grande do Sul, Brasil, 2014
  2. MARROCANO, Amílcar, Aproveitamentos Mini-Hídricos, Portugal, 2015
  3. Rui Castro. Uma Introdução às Energias Renováveis: Eólica, Fotovoltaica e Mini-hídrica. páginas 27–112., 2ª edição, 2012.