Figura 7.1 – Alguns componentes de uma usina hidrelétrica.
7.2. Usina Solar.
7.2.1. Usina Termo Solar.
As usinas termo solares são basicamente constituídas de um sistema de espelhos, um receptor, tubos, reservatório, turbina e gerador.
- Sistema de espelhos: são vários espelhos organizados parabolicamente, com a intenção de direcionar os raios solares para o receptor.
- Receptor: localizado no foco do sistema de espelhos, recebe a radiação solar refletida, responsável por aquecer o óleo ou o sal liquefeito.
- Tubos: tipo de receptor que conduz o óleo ou o sal liquefeito.
- Reservatório: armazena água responsável por esfriar o óleo ou o sal liquefeito.
- Turbina: aproveita a energia mecânica do vapor que sai do fluido aquecido pela usina.
- Gerador: transforma a energia mecânica adquirida pela turbina em energia elétrica.
Figura 7.2.1 – Esquema ilustrativo de espelhos refletores e o receptor tipo tubo.
7.2.2. Usina Fotovoltaica.
São usinas basicamente constituídas por painéis fotovoltaicos, baterias, inversor de corrente.
- Painéis fotovoltaicos: captam a energia luminosa do Sol e transforma-a em energia elétrica.
- Baterias: armazenam a energia elétrica captada, para abastecer as instalações em períodos noturnos ou de baixa intensidade luminosa.
- Inversor de corrente: transforma a corrente contínua produzida pelos painéis ou proveniente da bateria em corrente alternada.
Figura 7.2.2 – Painel fotovoltaico.
7.3. Usina Eólica.
São constituídas por equipamentos denominados aerogeradores, que são constituídos por hélices, gerador, freio a disco, sistema de engrenagens, torre de sustentação, sistema de controle e sistema de armazenamento.
- Hélices: formada por um rotor e, normalmente, duas ou três pás, constituídas de fibras de vidro e de carbono, é responsável por captar a energia do vento, que a faz girar em torno de seu próprio eixo.
- Gerador: equipamento acoplado ao sistema de hélices que transforma a energia mecânica em energia elétrica.
- Freio a disco: responsável por manter a velocidade da hélice baixa quando os ventos ultrapassam certa velocidade.
- Sistema de engrenagens: conhecido por multiplicador, serve para multiplicar a velocidade que o rotor transmite ao gerador.
- Torre de sustentação: estrutura que sustenta os cata-ventos em elevadas altitudes.
- Sistema de controle: responsável pelo controle de giro, pelo sensor de vento e outros fatores.
- Sistema de armazenamento: baterias que armazenam a energia elétrica gerada e inversores que transforma a corrente das baterias.
Figura 7.3 – Componentes de um aerogerador.
7.4. Usina Termelétrica.
São basicamente constituídas por uma caldeira, chaminé, turbina, condensador, gerador e bombas de água.
- Caldeira: responsável pelo aquecimento da água, normalmente a água é aquecida pela queima de combustíveis fosseis.
- Chaminé: libera os gases produzidos pela queima dos combustíveis.
- Turbina: aproveita a energia do vapor da água que gira suas pás, recebendo energia mecânica.
- Condensador: responsável por condensar o vapor da água que movimentou a turbina, fazendo-o voltar ao seu estado inicial.
- Gerador: transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica.
- Bombas de água: responsáveis pela movimentação da água por todo o sistema gerador.
Figura 7.4 – Componentes de uma termoelétrica.
7.5. Usina Nuclear.
São constituídas por reator, condensador, turbina a vapor, gerador e vaso de contenção.
- Reator: local onde ocorre a reação nuclear no elemento.
- Condensador: condensa o vapor depois de mover a turbina.
- Turbina a vapor: equipamento que recebe energia mecânica do vapor.
- Gerador: transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica.
- Vaso de Contenção: abriga o reator, normalmente feito de aço.
Figura 7.5 – Componentes de uma usina nuclear.
7.6. Usina Geotérmica.
São basicamente constituídas por um furo de reinjeção, furo de produção, vaporizador, turbina, refrigerador e o gerador ou alternador.
- Furo de reinjeção: espaço no qual a água é injetada no sistema gerador.
- Furo de produção: espaço aonde a água é devolvida para a terra.
- Vaporizador: lugar onde o vapor da água passa e a água quente entra em contato com a água refrigerada.
- Turbina: aproveita a energia mecânica do vapor da água.
- Refrigerador: refrigera a água quente, devolvendo essa água mais fria ao sistema.
- Alternador ou gerador: aproveita a energia da turbina e transforma em energia elétrica.
7.7. Usina Maremotriz.
Constituída principalmente por turbina e gerador, às vezes por uma barragem e um reservatório.
- Turbina: movimentada pela energia da água.
- Gerador: transforma a energia mecânica da turbina em energia elétrica.
A seguir, é explicado o funcionamento de cada um dos tipos de usinas geradoras:
8.1. Usina Hidrelétrica:
Para ocorrer a transformação da energia mecânica da água, que irá movimentar as turbinas, em energia elétrica é necessário existir um desnível hidráulico natural ou criado por uma barragem, para captação e condução da água à turbina, situada sempre em nível tão baixo quanto possível em relação a captação.
Uma usina hidrelétrica é composta de reservatório, da casa de força e da subestação elevadora. O reservatório é formado pelo represamento das águas do rio, por meio da construção de uma barragem.
Na barragem é construído o vertedor da usina, por onde sai o excesso de água do reservatório na época das chuvas. A casa de força é o local onde são instalados os equipamentos que vão produzir a energia. Na subestação elevadora são instalados os transformadores elevadores onde a energia elétrica tem suas características transformadas para melhor transportá-la através das linhas de transmissão. A produção de energia elétrica ocorre em várias etapas.
Primeiramente, capta-se água em um reservatório. Então, ela é conduzida sob pressão por tubulações forçadas até a casa de máquinas, onde estão instaladas as turbinas e os geradores. A turbina, sucessora das antigas rodas d’água, é formada por um rotor ligado a um eixo. A pressão da água sobre as pás do rotor da turbina produz um movimento giratório do eixo da turbina, transformando a energia hidráulica em um trabalho mecânico, que por sua vez aciona o gerador. O gerador é um equipamento composto por um eletroímã e por um fio bobinado. O movimento do eixo da turbina produz um campo eletromagnético dentro do gerador, provocando o aparecimento de uma corrente elétrica.
Figura 8.1 – Represa Grand Coulee, no estado americano Washington.
8.2. Usina Solar:
Existem dois tipos de usinas solares, as fotovoltaicas e as termosolares. A seguir, o funcionamento de cada uma delas:
8.2.1 Usina Solar Fotovoltaica:
Para ocorrer a transformação da energia solar em energia elétrica, é necessário a utilização de um equipamento chamado Painel Fotovoltaico. Os raios do sol, ao atingirem o este painel produzem eletricidade, sob a forma de corrente contínua, similar às das pilhas e baterias automotivas. Esta energia pode ser acumulada em baterias e utilizada à noite ou em longos períodos de mau tempo. Inversores são necessários para converter essa energia elétrica de corrente contínua em corrente alternada, possibilitando a utilização direta em uma residência.
8.2.2 Usina Solar Termoelétrica:
O principio de funcionamento dessas usinas é o aquecimento de água a partir da reflexão da luz solar em canos ocos com fluidos circulando em seu interior, provocando o aquecimento da mesma. Baseia-se na utilização dos coletores de focalização central ou linear. Esses coletores são dispositivos com formato cilíndrico e superfície com seção parabólica. Têm por objetivo refletir sobre uma superfície tubular chamada absorvedor, situada ao longo da linha focal da parábola, toda a radiação solar incidente.
Essa radiação concentrada sobre o absorvedor provoca um grande aumento da temperatura em um fluido contido no interior desse tubo, sendo esse calor, então, usado em um ciclo termodinâmico para a
Este fluido é bombeado em um circuito fechado, e após ser aquecido pela radiação solar refletidas pelos espelhos, é direcionado a um trocador de calor no qual contém água. Após a troca de calor, o fluido térmico retorna
para o ciclo de aquecimento. Na troca de calor é gerado vapor e esse é responsável por movimentar uma turbina, que está acoplada no eixo de um gerador, responsável pela transformação da energia mecânica em elétrica.
8.3. Usina Eólica:
Para ocorrer a geração de energia elétrica, é utilizado nessas usinas equipamentos que realizam a conversão da energia cinética dos ventos em energia elétrica. A incidência dos ventos nos rotores, ou hélices, provoca rotação nas pás do aerogerador, que converte a energia cinética dos ventos em potência mecânica rotacional no eixo do rotor. Essa potência mecânica é então transmitida ao gerador, que através de uma processo de conversão eletro-mecânica, produz uma potência elétrica de saída.
As pás dos aerogeradores são dispositivos aerodinâmicos com perfis especialmente desenvolvidos, e seu formato equivale às asas dos aviões, e que funcionam pelo princípio físico da sustentação.
A potência mecânica extraída do vento pela turbina eólica depende de vários fatores. Mas tratando-se de estudos elétricos o modelo geralmente apresentado nas literaturas é simplificado pelas equações a seguir:
Onde:
cp – coeficiente de potência da turbina eólica;
λ – razão entre a velocidade tangencial da ponta da pá e a velocidade do vento incidente (tip speed ratio);
ωwt – velocidade angular da turbina eólica (rad/s);
R – raio da turbina eólica (m);
ρ – densidade do ar (Kg/m3);
A – área varrida pelo rotor da turbina eólica (m2);
vw – velocidade do vento incidente na turbina eólica (m/s);
8.4. Usina Termelétrica:
Geralmente funciona com algum tipo de combustível fóssil como petróleo, gás natural ou carvão, que é queimado na câmara de combustão juntamente com o ar que aumenta sua pressão, pressão esta aumentada através de um compressor axial anteposto a camara. Com grande pressão, temos maior temperatura. Essa união é transporata à turbina, sendo transformada em potência de eixo, realizando torque na turbina. Os gases provenientes da turbina, ou seja, os gases de exaustão, são direcionados a uma caldeira de recuperação de calor que pode ser aquatubular ou flamotubular.
Em se tratando da aquatubular: a água passa por dentro das serpentinas da caldeira. passando por vários estágios:
- Evaporador
- Economizador
- Superaquecedor
Em todos os estágios, há uma troca de calor com os gases de exaustão, criando assim uma grande massa de vapor que então será direcionada a uma turbina à aapor. Essa água pode provir de um rio, lago ou mar, dependendo da localização da usina.
O vapor movimentará as pás de uma turbina e cada turbina é conectada a um gerador de eletricidade. O vapor é resfriado em um condensador, a partir de um circuito de água de refrigeração, e não entra em contato direto com o vapor que será convertido outra vez em água, que volta aos tubos da caldeira, dando início a um novo ciclo.
8.5. Usina Nuclear:
Nas usinas nucleares, é utilizado o que chamamos de fissão nuclear para produzir energia térmica em elementos químicos, geralmente o urânio. O urânio usado em usinas nucleares não é o natural, sendo obtido a partir dele pelo processo de enriquecimento. Na natureza existem vários tipos de urânio, chamados isótopos, que diferem apenas pelo número de nêutrons existentes no núcleo. O urânio mais comum na natureza é o urânio-238. O processo de enriquecimento consiste em adicionar urânio-235, obtendo-se uma mistura dos dois isótopos, cuja proporção depende da aplicação.
Isto é feito porque o urânio-235 (U-235) é altamente fissionável, enquanto o urânio-238 (U-238) é bem mais estável, o que permite controlar a energia produzida na reação em cadeia através da proporção entre eles. Usinas nucleares usam uma proporção de 3% de U-235 e 97% de U-238.
O núcleo de um reator consiste de um conjunto de vários tubos longos com pastilhas de dióxido de urânio, substância que contém átomos de urânio. No urânio ocorre uma reação em cadeia causada pelas fissões do urânio-235 dentro dos reatores. O que acontece dentro dos reatores é o bombardeamento dos átomos de urânio com nêutrons, transformando assim o urânio-235 em urânio-236, que instável. Ele então divide-se, liberando energia, que é absorvida pelo material do reator na forma de calor.
A energia nuclear contida nos núcleos atômicos é transformada em energia térmica. Água é usada para refrigerar o reator nuclear que chegam a320 ºC.
Como em qualquer usina termoelétrica, o calor é usado para vaporizar água. O vapor é forçado a passar pelas pás de uma turbina e a girá-la - a energia térmica é transformada em energia mecânica de rotação. O eixo da turbina comunica-se com um gerador, que transforma a energia mecânica em energia elétrica.
8.6. Usina Geotérmica:
O funcionamento de uma usina geotérmica consiste em injetar água até uma camada profunda da crosta terrestre, fazendo o líquido voltar aquecido em velocidade suficiente para mover turbinas. Também são aproveitados gêiseres naturais que brotam na superfície ou são feitas perfurações até as "caldeiras naturais" subterrâneas.
Há 3 tipos de fontes energéticas que podem ser aproveitadas por esse tipo de estação geradora. São elas:
É quando são perfurados dois poços vizinhos de modo que eles alcancem uma camada de rocha quente. Em um dos poços é injetada água, ela se aquece na rocha e é expelida pelo outro poço, onde há uma usina geotérmica instalada
Também é possível perfurar um poço para que ele alcance uma "caldeira" naturalmente formada, ou seja, um depósito de água aquecido pelo calor terrestre. A partir daí, energia elétrica é gerada como em todos os outros casos.
Em casos raríssimos pode ser encontrado o que os cientistas chamam de fonte de "vapor seco", em que a pressão é alta o suficiente para movimentar as turbinas da usina com excepcional força, sendo assim uma fonte eficiente na geração de eletricidade.
8.7 Usina Maremotriz:
Em qualquer lugar do planeta, a superfície do oceano oscila entre pontos altos e baixo, chamados marés. Isso ocorre a cada 12h e 25min. As marés são originadas pela atração gravitacional exercida pela lua, por isso é denominado potencial energético gravitacional o potencial energético das ondas marítimicas. Essas marés representam uma tentadora fonte energética. Em conjunto, a temperatura dos oceanos, as ondas e as marés poderiam proporcionar muito mais energia do que a humanidade seria capaz de gastar, mas seria necessário um investimento tecnológico muito grande para tal.
A energia das marés é obtida de modo semelhante ao da energia hidrelétrica. Constrói-se uma barragem, formando-se um reservatório junto ao mar. Quando a maré é alta, a água enche o reservatório, passando através da turbina hidráulica, tipo bulbo, e produzindo energia elétrica. Na maré baixa, o reservatório é esvaziado e a água que sai do reservatório passa novamente através da turbina, em sentido contrário, produzindo a energia elétrica.
8.8 Usina Biomassa:
O princípio de funcionamento é praticamente o mesmo de uma usina termelétrica. A biomassa (casca de arroz, cavaco de madeira, produtos e resíduos agrícolas, resíduos florestais, resíduos pecuários, lixo) é queimada na caldeira, aumentando a temperatura da água até a formação de vapor que, conduzido até a turbina, a faz girar. A turbina a vapor está acoplada a um alternador que, girando seu rotor imerso, gera um campo magnético que, por sua vez, gera corrente elétrica.
As especificações devem ser feitas de acordo com o tipo dos equipamentos e construções que serão utilizados na geração de energia. São estes: Barragem, Turbinas, Reatores e Geradores.
9.1 Barragem
Barragem é uma barreira artificial, feita em cursos de água para a retenção de grandes quantidades de água.
9.1.1 Tipos de Barragem
9.1.1.1 Barragem de betão
As barragens de betão feitas em vales apertas pois a resistência do betão tem algumas limitações relativamente ao comprimento da barragem. Apesar de muito resistentes, estas barragens são também muito vulneráveis a certos tipos de situações. Se houver algum erro de projecção e a barragem fender pode ter consequências catastróficas. Já numa situação de galgamento pela água da albufeira não é tão prejudicial. Podemos definir dois tipos de barragem de betão tendo a forma como são construídas:
Uma barragem de aterro é, como o próprio nome indica, um aterro, ou seja, é uma barreira de terra e/ou rocha que funciona de modo a reter a água. Ao contrário de uma barragem de betão, uma barragem de aterro não suporta bem o galgamento pela água e pode mesmo ter efeitos catastróficos. Já no caso de fendilhação, a barragem de aterro fica mais estável que uma de betão.
Podemos definir três grandes grupos de barragens de aterro tendo em conta o material de que são feitas:
9.2 Turbina
Turbina é um equipamento construído para captar e converter energia mecânica e térmica contida em um fluido, em trabalho de eixo. Os principais tipos encontrados são:
9.2.1 Tipos de Turbina
9.2.1.1 Turbina Hidráulica
As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia hidráulica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em energia mecânica. Atualmente são mais encontradas em usinas hidrelétricas. São dividas em:
