Energia Hidrelétrica
A energia potencial da água - Ep, correspondente a queda – H – é dada por:
Onde:
Ep – é a energia potencial [J = N.m];
m - é a massa da água [kg];
g – é a aceleração da gravidade [9,8 m/s2];
H – é a queda [m] .
O produto da massa pela aceleração da gravidade corresponde à força peso [N] da água armazenada.
O produto desta força pela altura da queda representa o trabalho realizado pelo deslocamento desta massa de água e tem dimensões de energia.
Por sua vez, a massa da água é dada por:
Onde:
ρ- é a densidade da água [1000 kg/m3];
V – é o volume de água [m3];
Portanto, a energia potencial possível de ser retirada de um volume de água, caindo de uma determinada queda – H - é dada por:
Onde:
γ é o peso específico da água.
Observa-se que a energia armazenada na água é proporcional ao volume armazenado - V - e a queda hidráulica H.
A potência associada a esta energia pode ser obtida da seguinte maneira:
Normalmente, como a variação da altura H é muito mais lenta do que a variação do volume, a derivada da queda pode ser considerada nula. Neste caso, a potência teórica máxima será dada por:
Onde:
Q é o fluxo de água [m3/s];
H á a queda em [m]
P é a potência em kW.
Na prática, os valores de energia e potência elétricas extraídos da água são inferiores devido às perdas nos diversos equipamentos envolvidos no processo de conversão da energia potencial da água em energia elétrica, conforme a equação abaixo.
Onde:
ηh é o rendimento do circuito hidráulico;
ηt é o rendimento da turbina;
ηg é o rendimento do gerador, transformador e serviços auxiliares.
Para compreender melhor essas perdas é necessário utilizar o conceito de queda hidráulica.
A queda hidráulica H é mais corretamente definida, de acordo com a Figura abaixo, como sendo:
onde o primeiro termo representa a energia associada à diferença de altura, o segundo representa a energia associada à diferença de pressão e o último termo representa a energia associada à diferença de velocidade.
Observa-se que a energia hidrelétrica é proporcional ao volume e à altura da queda e a potência elétrica é proporcional à altura e à vazão da água. Portanto, cada usina possui um fator, denominado de fator de produtibilidade, que multiplicado pela vazão determina sua potência.
Conseqüentemente, é de fundamental importância conhecer os mecanismos de armazenamento da água acima do nível do mar e das vazões possíveis de serem obtidas. Para isso, conceitos básicos de hidrologia devem ser vistos.