Como uma barragem hidrelétrica produz eletricidade
A energia hidrelétrica usa a energia da água caindo ou fluindo. Uma barragem armazena água em altura; liberando-a através de uma turbina converte que armazena energia em eletricidade.
Em 60 segundos: como funciona
Uma barragem de energia hidrelétrica usa a energia da água caindo de uma altura. A água liberada do reservatório gira uma turbina e a turbina gira um gerador.
- A barragem retém um reservatório, armazenando água acima da central.
- A água é liberada em um grande tubo chamado de porta-enxerto e corre para baixo.
- Os portões ajustáveis controlam a quantidade de água que atinge a turbina, que gira à medida que a água atinge.
- O eixo da turbina gira um gerador, que produz eletricidade.
- A água deixa a turbina e flui de volta para o rio abaixo da barragem.
- Um transformador aumenta a tensão para que a energia possa viajar para a rede.
Quer o detalhe da engenharia? Explore o Modelo 3D, então leia as notas de engenharia e Tipos e variações.
Por Centrais elétricas em todo o mundo Leitura relacionada atualizada · mbito de preparação e revisão. Ilustrações educacionais; nenhuma revisão independente de engenharia por pares é reivindicada.
Explore o equipamento em 3D
Gire o equipamento, siga os fluxos de energia e inspecione cada componente. Leia os passos abaixo a qualquer momento.
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Planta de reservatórios de Gravidade-dam com duas unidades Francis verticais e geradores síncronos de rede direta. As seções de potência e turbina revelam portas de pivô ligadas, invólucros fixos, eixos, rolamentos e tubos de tração em expansão. A cabeça bruta, a lei de fluxo de portão, a eficiência e a configuração de 24 polos / 50 Hz são ilustrativas; o modelo de estado estacionário não é aprovação hidráulica, estrutural ou de segurança de barragens. O movimento é retardado para inspeção. As sobreposições coloridas revelam o fluxo através do equipamento fechado; pulsos de ouro mostram a transferência elétrica líquida da energia, não elétrons individuais.
Como funciona
- Água em um nível mais alto
- Fluxo de água controlado
- Rotação da turbina
- Gerador de eletricidade
- Transformador e grade
A energia hidrelétrica transforma a energia da água que se move de um nível mais alto para um mais baixo em eletricidade. Uma ingestão admite que a água e um canal ou porta-enxerto a transportam para a turbina. Na máquina ilustrada Francis, as palhetas guiam o fluxo que entra no corredor. O corredor gira um eixo conectado a um gerador e a água retorna a jusante. A energia disponível depende do fluxo e da cabeça hidráulica: a energia disponível por unidade de peso da água, após perdas nas passagens de água.
Um reservatório pode permitir que os operadores escolham quando liberar um pouco da água, dentro dos limites de gerenciamento de água e meio ambiente. Uma planta de escoamento de rios depende mais diretamente do fluxo do rio. Nenhum dos arranjos cria água, portanto, a entrada sazonal e a seca afetam a produção. As turbinas são selecionadas para a cabeça e o fluxo do local, em vez de simplesmente seus megawatts instalados. A passagem de peixes, o movimento de sedimentos e as condições da água a jusante também moldamante o design e as regras operacionais.
Siga a água. Conta para o poder.
Duas unidades Francis verticais, não Kaplan ou máquinas Pelton. Cada um tem seu próprio caminho de água e disjuntor; ambos alimentam um coletor e transformador de passo. As passagens principais do livro foram verificadas antes desta atualização. Cada parâmetro numérico é uma escolha de ensino ilustrativa, não uma especificação de instalação real.
Selecionado: Visão geral do sistema inteiro.
Explicação simples
A altura fornece energia; portões regulam a água. Cabeça bruta compara o reservatório e superfícies de água a jusante. O rack captura detritos; a ingestão admite água e o porta-enxerto leva-a para o invólucro espiral. As palhetas fixas suportam / direcionam a passagem. Os portões de wicket ligados giram para regular a água recebida; eles não são as lâminas do corredor. [H1]
O corredor dirige uma máquina elétrica separada. A água é direcionada para dentro e gira para baixo através do corredor Francis de lâmina fixa. O rotor do gerador corredor e coaxial giram juntos; as carcaças, o estator e o rolamento permanecem fixos. Uma unidade síncrona conectada corre em sua velocidade de correspondência da grade. Mais descarga fornece mais torque e potência, não um novo RPM constante. [H1] [H2] [H4]
Água e energia elétrica saem por diferentes rotas. O tubo de corrente alternada (AC) em expansão reduz a velocidade de saída e recupera parte da cabeça de velocidade como pressão, levando à corrida de cauda. A corrente alternada trifásica (AC) passa por cada disjuntor, coletor e transformador até a grade. As liberações de desvio evitam a geração. O tubo de corrente alternada não cria energia extra. [H1]
Saldo operacional actual
| Limite | Potência |
|---|---|
| Entrada hidráulica bruta através de ambas as unidades geradoras | 12.210 |
| Ingestão / perda de pecuária | 0.581 |
| Turbina não convertida em água / energia mecânica | 1.163 |
| Perda do gerador | 0.419 |
| Perda do transformador/coleção | 0.151 |
| Exportação útil da rede | 9.896 |
A liberação do Bypass é contabilizada separadamente: 0.000 m3/s carrega 0.000 MW de potencial hidráulico bruto, com zero atribuída saída do gerador. O potencial hidráulico liberado total é 12.210 MW. Isto não é todo o calor e não está incluído na eficiência da rota de geração.
| Unidade | Shaft MW | Torque kNm | Generator MWac | Frequency Hz |
|---|---|---|---|---|
| Francisco 1 | 5.233 | 199.873 | 5.023 | 50 |
| Francisco 2 | 5.233 | 199.873 | 5.023 | 50 |
Detalhes de engenharia
Cabeça e poder. Hg é cabeça bruta (m), Q é descarga unitária (m3/s), hc é a perda de cabeça da entrada/pescoço (m), e Hlíquido = Hg − hc é a cabeça total da energia através da turbina completa. A cabeça representa a energia por unidade de peso; inclui termos da elevação, da pressão e da velocidade. Aqui ambas as cabeças da velocidade da superfície livre são negligenciadas. A cabeça líquida não é a profundidade do corredor abaixo do reservatório, e gHlíquido não é apresentado como uma pressão de corredor medida. [H1]
Pe = ρ g Q Hlíquido ηt ηg · Pgrid = (Pe,1 + Pe,2) ηtx
Pe é a saída CA do gerador (W); é a densidade da água (1.000 kg/m3); g é a aceleração gravitacional (9,80665 m/s2);t é a eficiência da turbina agregada (0,90, incluindo o tubo de tração, a água e as perdas mecânicas);g é a eficiência do gerador (0,96);tx é transformador / eficiência de coleta (0.985). As eficiências e densidade são constantes assumidas. Não se multiplique em uma segunda eficiência de recuperação de tubo de tração: seu desempenho já está dentrot. [H1]
Lei de porta ilustrativa, não uma carta de Francis Hill. Deixe um comando ser gate / 100 para uma unidade admitida, ou zero para uma unidade isolada, independentemente do seu comando armazenado.ref = 10 m³/s at Href = 60 m net head, and k = 0.03 s²/m⁵. Assume Q = a Qref √(Hlíquido/Href) and hc = kQ². With A = a²Qref²/Href, algebra gives Q² = AHg/(1+kA). Each penstock is independent. These invented coefficients are not a friction factor, manufacturer gate curve, computed pipe hydraulics or tested efficiency map. Actual efficiency varies with head, discharge and speed; very small positive commands are conceptual examples, not recommended operation.
Sincronismo e torque. n é velocidade mecânica em rotações por minuto (rpm), f é frequência elétrica (Hz), p é contagem total de pólos magnéticos, é velocidade angular (rad/s) e T é torque do eixo (Nm). O livro verificado usa pares de pólos; nosso p conta todos os pólos. [H2]
n = 120 f / p = 120 × 50 / 24 = 250 rpm · ω = 2πn/60 · T = Peixo/ω
O gerador de campo de ferida de 24 pólos selecionado conecta-se diretamente à grade de 50 Hz selecionada. A velocidade constante é uma suposição síncrona constante, não uma simulação de governador. Unidades isoladas / de fluxo zero são mostradas estacionadas com portões fechados e disjuntores abertos; nenhuma sincronização, run-up, costa, fuga ou sem carga de motorização é animada. A animação usa 0.05 × physical rotation, then the display-speed multiplier.
Loss boundaries. Entrada bruta de geração gQHg é igual a perda de conduíte gQhc + turbine loss Σ(Plíquido − Peixo) + generator loss Σ(Peixo − Pe) + transformer loss + grid export. A bypass release has its own ρgQderrameHg onde Qderrame denota esta liberação não-geradora prescrita, não um cálculo de crista-espirra. A eficiência de caminho gerador é a exportação de grade dividida pela entrada hidráulica bruta através de unidades geradoras, indefinidas quando essa entrada é zero. Nenhuma energia é contada duas vezes.
Exemplo verificado reset inputs
Defina 62,5 m de cabeça bruta, ambos os comandos de portão 100%, ambas as unidades admitidas e fluxo de bypass zero. 9.960238 m3/s; a perda do conduíte é 2.976190 m, leaving 59.523810 m cabeça líquida. Cada eixo entrega 5.233 MW a 250 rpm, dando 199.873 kNm; cada gerador entrega 5.023 MWac.
12.209572 MW = 0.581408 conduit + 1.162816 turbine + 0.418614 generator + 0.150701 transformer + 9.896032 grid.
A eficiência do caminho gerador é 81.05%. Os valores acima são arredondados para leitura; todos os valores de estado atual exibidos e a cena original do navegador usam o mesmo cálculo não arredondado. Este é um equilíbrio algébrico verificado com parâmetros inventados, não uma classificação de estação real ou simulação de domínio de tempo validada.
O que o corte faz – e não – mostra
- Os elos de regulação-anel movem os portões do wicket; as lâminas de corredor fixo não atiram como uma Kaplan. A seção original expõe o equipamento fechado sem representar furos físicos em uma planta de operação.
- Os rolamentos guiam o eixo e o impulso do apoio; fundações, âncoras do peão e selas apoiam a maquinaria. Sua geometria simplificada não valida cargas, vibração, fadiga, fundações ou estabilidade da represa.
- A pressão da água/velocidade muda através de uma turbina de reação. A cavitação está associada a uma pressão local suficientemente baixa; a pressão de vapor da água é uma referência importante, enquanto os núcleos e o gás dissolvido afetam o início. Uma mudança repentina na velocidade do pedágio pode criar uma onda de pressão chamada martelo de água. [H1] Nenhum campo de pressão, margem de cavitação ou transiente de martelo de água é computado. As mudanças de portão são estados de ensino instantâneos, não instruções de operação seguras.
- Cerca de 5 m por unidade de cena; as distâncias são comprimidas, os detalhes do equipamento são ampliados, as superfícies da água simplificadas. O coeficiente de perda numérica não é inferido a partir dessas dimensões. As partículas mostram o caminho / direção, não o fluxo de massa, a velocidade do fluido ou o movimento do elétron.
- A energia hidrelétrica depende da disponibilidade de água e cabeça. A operação de reservatórios também tem restrições ambientais e de gerenciamento de água; esse modelo assume entrada suficiente e não prevê a depleção do reservatório ou os efeitos ecológicos.
Baixe a cena original editável do Blender. Os scripts de geração e verificação geométrica estão incluídos na fonte do projeto; esta é a visualização educacional, não um projeto de instalação aprovado.
Referências principais do livro
- [H1] John S. Gulliver e Roger E. A. Arndt, editores. Manual de Engenharia de Hidroenergia. McGraw-Hill, 1991. ISBN 0-07-025193-2. Checked Arndt’s Chapter 4, printed 4.4–4.7, 4.15, 4.28–4.30 and 4.33–4.34, including equations (4.2), (4.9), (4.16a), in the University of Minnesota institutional scan. Also checked Chapter 5, §5.5, printed 5.55, for the qualitative water-hammer mechanism. These are selected passages, not a review of the entire book.
- [H2] Herbert H. Woodson and James R. Melcher. Dinâmica Eletromecânica, Parte I. Wiley, 1968; lawful MIT OpenCourseWare reissue, 2009. Checked Chapter 4, §4.1.8, equation (4.1.95) and synchronous-speed examples in the MIT-hosted chapter. Nossa equação usa pólos totais em vez dos pares de pólos do livro.
Livro de início apenas leitura adicional
[H3] Theodore Wildi. Máquinas Elétricas, Drives e Sistemas de Energia, 6a edição, Pearson New International Edition, publicado em 2013 / 2014. Apenas o publisher metadata and contents foram verificados; passagens técnicas não eram acessíveis. H2 é a fundação de livro de máquina elétrica realmente verificada.
Documentação técnica complementar
[H4] Departamento de Energia dos EUA. Types of Hydropower Turbines, seção Francis: lâminas fixas, invólucro de rolagem, portões de wicket e tubo de rascunho. Identificação complementar, não evidência de nossas dimensões ou eficiências.
Fontes de atualização verificadas . Explicações e diagramas originais; nenhuma ilustração do livro-texto copiada. Verificações de software, fonte e geometria rígida não estabelecem revisão independente de engenharia por pares, conformidade com padrões, segurança da barragem ou aprovação de projeto.
Dentro da engenharia
Siga a maquinaria, os fluidos de trabalho e a conexão elétrica.
Mecânica
Entradas separadas e pentes suportados alimentam cada invólucro espiral. As palhetas fixas precedem as portas de wicket ligadas, que regulam a descarga em corredores Francis de lâmina fixa. Os eixos coaxiais impulsionam os rotores do gerador; os rolamentos de guia / impulso e suas carcaças permanecem fixos. Os tubos de tração em expansão separados se conectam continuamente às corridas de cauda.
Térmico & químico
A cabeça bruta compara superfícies a montante e a jusante; as perdas de conduíte reduzem a cabeça líquida disponível de cada unidade. A turbina completa converte a entrada hidráulica em potência do eixo, incluindo a recuperação do tubo de tração dentro de sua eficiência agregada. A água retorna a jusante sem ser queimada ou fervida. O desvio de baixo nível submerso separado não adiciona geração; o derramamento da crista é fechado e não avaliado. Campos de pressão, cavitação e martelo de água não são simulados.
Elétrica
Cada gerador síncrono de 24 pólos funciona a 250 rpm no estado de geração de 50 Hz selecionado. As mudanças de porta alteram o torque e a saída, não a velocidade síncrona. Os disjuntores por unidade alimentam um coletor trifásico, transformador e grade. Unidades de fluxo zero ou isoladas são estacionadas com disjuntores abertos; sincronização, auxiliares, energia reativa e proteção são omitidos.
Principais tipos e variações
O modelo mostra uma planta convencional com uma turbina Francis. As três primeiras variações descrevem como a planta gerencia a água; as três últimas descrevem projetos de turbinas. Estas são escolhas complementares: uma central de reservatório ou de rio ainda precisa de uma turbina adequada ao seu local.
Reservatório ou instalação de imobilização
Uma barragem mantém a água em um reservatório acima da central. Os operadores liberam água através de passagens de turbina, usando a diferença entre os níveis de água a montante e a jusante. O armazenamento pode mudar a geração para um tempo diferente da chegada do fluxo do rio, sujeito aos limites do reservatório e outros usos da água.
O que muda na prática
O armazenamento adiciona flexibilidade operacional, mas a produção de eletricidade deve compartilhar a água com necessidades como gerenciamento de inundações, irrigação, ecossistemas e abastecimento de água.
Instalações de escoamento ou de desvio
Uma diversão canaliza parte de um rio através de uma via navegável e turbina antes de devolvê-lo a jusante. Ele usa a queda natural do rio e pode ter um cais ou lagoa limitada, em vez de um grande reservatório de armazenamento. Geração, portanto, segue o fluxo do rio disponível mais de perto.
O que muda na prática
O nome descreve o arranjo de água; isso não significa que todo projeto é livre de represas ou não tem efeito sobre o rio.
Hidrelétrica de armazenamento bombeado
A eletricidade impulsiona bombas que movem a água de um reservatório inferior para um superior. Mais tarde, a água flui de volta através de turbinas para gerar. Algumas plantas usam turbinas-bomba reversíveis e geradores de motores; outras separam o equipamento de bombeamento e geração. A energia armazenada está associada à água elevada.
O que muda na prática
Isto é armazenamento de energia: ele retorna menos eletricidade do que o bombeamento consumido. Ele muda a energia ao longo do tempo, em vez de fornecer uma nova fonte de energia primária.
turbina reação Francis
Uma caixa espiral distribui água pressurizada ao redor do corredor. As palhetas de guia ajustáveis direcionam-na para dentro através de lâminas curvas do corredor, após o que ela sai ao longo da direção do eixo através de um tubo de tração. As mudanças de pressão e velocidade contribuem para o torque transmitido ao gerador.
O que muda na prática
As turbinas Francis se adequam a uma ampla gama de cabeças médias e superiores. As pás do corredor são normalmente fixas; as palhetas guia regulam a água que entra.
Turbinas Kaplan e hélice
A água passa principalmente ao longo do eixo de um corredor em forma de hélice. Uma turbina Kaplan ajusta o passo do corredor-lâmina e a posição do guia-vane para acomodar as condições de mudança. Uma turbina de hélice de lâmina fixa usa a mesma direção geral de fluxo, mas tem uma faixa de operação eficiente mais estreita.
O que muda na prática
Estas turbinas de reação são úteis onde a cabeça é relativamente baixa e o fluxo é alto. As lâminas ajustáveis ajudam uma máquina de Kaplan a responder às condições de água em mudança.
Turbina de impulso de Pelton
Os bicos transformam a água de alta pressão em jatos rápidos. Cada jato atinge baldes divididos ao redor da borda do corredor e muda de direção, transferindo o impulso para o eixo. O corredor opera em uma caixa cheia de ar, em vez de uma passagem de água totalmente pressurizada, e a água gasta drena.
O que muda na prática
As máquinas Pelton se adequam a locais de cabeça alta com fluxo relativamente modesto. Seus jatos e baldes exigem um arranjo de potência diferente de um corredor de reação submerso.
Vale a pena saber
- As plantas de escoamento de rios usam o fluxo do rio com pouco ou nenhum armazenamento.
- As centrais de armazenamento bombeado bombeiam água para cima quando a eletricidade é abundante e liberam-na mais tarde.
- A produção depende da precipitação e do derretimento da neve, por isso muda de ano para ano.
Veja exemplos reais
O atlas inclui 9.244 registos de água em todo o mundo.
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Referências de livros didáticos
Antecedentes técnicos sugeridos para este tópico. Estes livros são leitura adicional, não prova de que todas as explicações foram verificadas em relação a cada edição. Veja o Bibliografia completa e âmbito de revisão.
- Hydropower Engineering HandbookTipos de turbinas, porta-enxertos, vertedouros e disposição da central hidrelétrica (gratuita para download).
- Renewable and Efficient Electric Power SystemsCabeça, fluxo e equação de energia para centrais hidrelétricas.
Fontes
- EIA: Hydropower explained ↗
- US DOE: Hydropower turbines ↗
- US DOE: Head, tailwater and hydropower terminology ↗
Os recortes revelam equipamentos fechados. Layouts, dimensões, materiais e velocidades de animação são ilustrativos; este é um modelo educacional, Não é um projeto de planta ou uma simulação termodinâmica.