Usina hidrelétrica

Apresentação

Ao acionar o interruptor em sua residência, a luz na lâmpada se acende. Mas nem sempre foi assim. Há cerca de 50 anos, a energia elétrica em casa era luxo de poucos, porque era cara, fraca e mal distribuída. Hoje, devido às instalações de usinas hidrelétricas, é possível usufruir dos benefícios da eletricidade. Como isto é possível? Acesse este conteúdo didático e saiba como o movimento da água gera eletricidade.

OBJETIVOS
  • Compreender o funcionamento de uma usina hidrelétrica.
  • Explicar a forma de distribuição da energia e a necessidade de usar transformadores para este processo.
  • Apresentar alguns impactos ambientais associados à geração de energia nas hidrelétricas.

Ficha técnica

Unidades didáticas às quais este conteúdo pode pertencer:
  • Eletrodinâmica
Outros conteúdos que podem se relacionar a este:
  • Vazão
  • Potência
  • Lei de Ohm
  • Corrente elétrica
  • Resistores
  • Energia elétrica
Níveis de ensino apropriados:
  • Ensino médio e Superior

Créditos

Autores:
Coordenação pedagógica: Profª. Dr. Valeria Iensen Bortoluzzi
Coordenação técnica: Prof. Ms. Iuri Lammel
Instituição: Centro Universitário Franciscano
Data de publicação: Setembro de 2015
Local: Santa Maria, RS
Como citar este conteúdo:
MAIS UNIFRA. Usina hidrelétrica. Santa Maria, RS: Unifra, 2015. Online. Disponível em: http://maisunifra.com.br/conteudo/usina-hidreletrica/.

Bibliografia

Bibliografia que embasa este conteúdo:
  • GREF (Grupo de Reelaboração do Ensino de Física). Física 3: Eletromagnetismo. 5 ed. São Paulo: Edusp, v.3, 2002.
  • HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: Eletromagnetismo. 4 ed. Rio de janeiro: LTC, v. 3,1996.
  • HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; KRANE, K. Física 3. 4 ed. Rio de janeiro: LTC, v. 3,1996.
  • TIPLER, P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros. 6 ed. Rio de janeiro: LTC, v. 2, 2009.

Espaço do professor

Olá, professor!
A seção Ideias e Propostas tem você como foco, ao fornecer sugestões de trabalho, em diferentes contextos, com os conteúdos que você encontra no MAIS Unifra. O documento que você vai acessar não é um plano de aula, por isso não pode substituir seu planajemento pessoal. Mas você poderá ter boas ideias a partir das nossas.
Aproveite este espaço e bom trabalho!

Introdução

A energia elétrica que usamos em nossas casas, escolas, universidades e empresas é gerada a muitos quilômetros do ponto onde é finalmente usada. O processo de geração consiste em usar água armazenada em represas, cujo movimento de queda faz girar turbinas que convertem a energia mecânica em energia elétrica. Porém, como essas represas são instaladas em locais distantes são necessárias algumas "manobras" para evitar o seu excessivo desperdício na distribuição, entre elas está a utilização de transformadores, que têm como principal função diminuir a corrente elétrica e, com isso, reduzir o aquecimento na fiação, o que diminui as perdas por Efeito Joule

Contudo, as instalações de usinas que represam grandes quantidades de água acarretam o alagamento de áreas territoriais, causando impactos ambientais. No Brasil, há várias usinas hidrelétricas, inclusive a maior do mundo, que é a Usina Binacional de Itaipú, localizada em Foz do Iguaçu, no estado do Paraná, Brasil.

Foto de Itaipú - ao clicar, serás direcionado a http://www.itaipu.gov.br

O processo de geração de energia elétrica

Uma usina hidrelétrica deve ser instalada em rios que possuam potencial hidráulico, ou seja, que não sejam usados para a navegação e que possam ser facilmente represados para armazenar grande quantidade de água.
Uma vez instalada no rio, a usina hidrelétrica, possuirá uma estrutura interna bem organizada, conforme mostra o objeto de aprendizagem abaixo.

O processo de geração de energia elétrica inicia quando a água atinge as turbinas com uma velocidade ‘vi’ e, ao colidir com estas, a velocidade tem seu valor alterado para ‘vf’. Esta variação na velocidade pode estar relacionada à grandeza física chamada de impulso (I), que é definida como a variação da quantidade de movimento (ΔQ) do sistema (água e a turbina) conforme a equação (1):

I=ΔQ (1)

O impulso e quantidade de movimento são grandezas vetoriais e a equação (1) pode ser reescrita como:

FΔt= mΔv (2)

FΔt=m(vf-vi) (3)

Isolando a força (F) na expressão (3), chega-se a:

F = m(vf-vi)/Δt (4)

Por meio da equação (4), pode-se observar que, quanto menor for o intervalo de tempo, maior será a força transmitida pela água à turbina. Por este motivo, a velocidade da água que atinge a turbina deve ser grande para que a força resultante também seja expressiva.

Para que esta velocidade seja grande, é necessário um grande desnível na represa. A velocidade que a água atinge as turbinas é dada pela equação (5)

(5)

onde ‘g’ representa o valor da aceleração da gravidade e ‘h’, a altura da represa.

Então, pode-se concluir que, quanto maior for a altura da represa, maior será o potencial energético. Para manter a produção de energia elétrica em grande quantidade, é necessário um elevado volume de água represado. Por conseguinte, a barragem terá grande altura e também grande extensão alagada, e isto gerará impactos ambientais, tal como mostrado na aba lmpactos ambientais.

Como a energia elétrica chega em nossas residências?

A energia elétrica produzida nas hidrelétricas é gerada a muitos quilômetros dos centros urbanos. Seu transporte até o ponto de utilização requer alguns procedimentos específicos, para que as perdas de energia sejam mínimas.

Partindo do ponto de geração da energia, que corresponde ao local onde a energia mecânica do movimento da água é convertida em energia elétrica nas turbinas, tem-se uma corrente alternada, com frequência de 60 Hz, frequência essa que será mantida até o ponto de uso, nas residências, indústrias e demais locais.

Para ser transportada a grandes distâncias, é necessário que o valor da corrente elétrica seja o menor possível, o que implicará em uma grande tensão (ddp) e evitará desperdícios na distribuição.

Como este processo ocorre?

As perdas na distribuição da energia elétrica, por efeito Joule, são calculadas por meio da equação (6)

(6)

onde P é a potência,
r a resistência,
e i a corrente elétrica.

Como não é possível alterar as propriedades do resistor, é necessário, então, diminuir o valor da corrente para que a potência dissipada seja mínima. Porém, com a redução da corrente, ocorre o aumento da ddp (denominada, neste caso, de tensão), visto que a potência total é calculada por meio de equação (7):

P=Vi (7)

Logo, a tensão irá aumentar consideravelmente. Por este motivo, as redes elétricas de longa distância são chamadas de redes de alta tensão.

Quando as redes elétricas de alta tensão se aproximam das cidades, o valor da ddp é ajustado a valores mais baixos, diminuindo os riscos com descargas elétricas. Este processo é geralmente feito nas subestações de energia, que funcionam em regiões periféricas aos centros.

Na distribuição de energia elétrica, no interior das cidades, os valores de tensão e corrente são ainda consideráveis e serão definitivamente ajustados quando chegarem próximos aos pontos de utilização, como residências, empresas, e outros.

Exemplos numéricos deste processo:

Em uma usina hipotética, o valor da potência gerada na turbina é de 100000W, supondo que a tensão seja da ordem de 10000 V, isto implica em um valor de corrente de 10 Ampéres (A), pois:
P=Vi = 10000 V.10A , lembrando que V.A = W (Watt), a potência será:
P= 100000W.
Supondo que o valor da tensão é aumentado até 1000000 V, por meio de transformadores existentes na subestação de saída, isto implicará em uma corrente de 0,1A.
Com este valor, a energia elétrica é transportada até as proximidades das cidades, onde as subestações irão rebaixar estes valores até cerca de 10000 V, levando a corrente para 10 A.
Nos transformadores instalados próximos às residências, este valor será finalmente reduzido para 110 V e 220 V e a corrente correspondente.

Para saber alguns termos técnicos usados nas empresas que distribuem energia elétrica, acesse:

http://www.aessul.com.br/site/sobreenergia/EnergiaAZ.aspx?letra=AA

Para saber mais, acesse o objeto abaixo.

Qual é a função dos transformadores?

Os transformadores são importantes para o funcionamento de alguns equipamentos que fazem parte de nosso dia a dia, dentre eles: o celular, o computador, o estabilizador. O transformador adequa a tensão, usando, para tal, uma diferença no número de enrolamentos em seus lados.

Note que o transformador é constituído por dois lados: o primário e o secundário, como pode ser observado na imagem abaixo.

O lado primário do transformador é constituído por um número de enrolamentos que é inferior ao número de enrolamentos do lado secundário. Esta diferença irá garantir que o lado secundário do transformador funcionará como um “elevador” de tensão, já o lado primário do transformador funcionará como um “rebaixador” de tensão.

Os enrolamentos nos transformadores, tanto no lado primário, como no lado secundário, são feitos ao redor de um núcleo de ferro, que é laminado, para atenuar os efeitos do aquecimento, causado durante o seu funcionamento. Este aquecimento é originado por correntes de Focault.

Quando o transformador está em funcionamento, ele tem a finalidade de diminuir as perdas na distribuição da energia elétrica, ajustando a ddp e, por consequência, a corrente no circuito. Porém, o transformador não tem a finalidade de alterar o valor da potência.

Observe a relação (8):

P1=P2 (8)

V1i1=V2i2 (9)

onde P1,V1 e i1 são a potência, a tensão e a corrente no lado primário do transformador e P2 ,V2 e i2 são a potência, a tensão e a corrente no lado secundário do transformador.

A relação com o número de enrolamentos é feita por meio da expressão de cálculo de campo de indução magnética.

A relação entre os campos de indução magnética (B) existentes nos dois lados do transformador é (equação (10)):

B1= B2 (10),

o que implicará:

onde é a constante de permissividade magnética, l é o comprimento do solenóide, N é o número de enrolamentos e i é a corrente.

Como a constante de permissividade magnética é a mesma, e o comprimento do solenóide também, temos que:

i1N1=i2N2 (12),

que pode ser reescrita como:

(13)

Associado com a tensão, teremos a equação geral dos transformadores,

(14)

em que V é a ddp, N é o número de enrolamentos e i, a corrente.

lmpactos ambientais gerados pela instalação de hidrelétricas

Quando uma usina hidrelétrica é instalada, ocorrem alguns impactos ecológicos na região de sua abrangência.
Entre os possíveis impactos temos:

- alagamento da região, com a submersão de florestas, parques e outros recursos naturais, e também algumas relíquias históricas;

- inviabilidade da piracema, pois os peixes ficam impossibilitados de desovar na nascente do rio, impedindo parcialmente o desenvolvimento de espécies aquáticas;

- ocorrência de mudanças climáticas, em virtude da elevação da quantidade de evaporação da água, que promovem mudanças nas precipitações.

Então, a instalação de uma usina hidrelétrica causa grandes impactos na região. No entanto, elas ainda causam menores riscos ambientais quando comparadas com as usinas nucleares, que podem implicar grandes riscos de contaminação ao ambiente por meio de materiais radioativos, e quando comparadas com as usinas termoelétricas, que causam poluição atmosférica pela liberação de gases tóxicos.

Pode-se, com isso, concluir que não é possível extrair energia da natureza sem causar impactos, mas devemos nos preocupar em diminuir estes riscos ambientais.

Atividades

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MAIS

Vídeos e Objetos de ensino em links externos:

Objetos de Aprendizagem

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Distribuição elétrica
Componentes do sistema de distribuição elétrica
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Estrutura interna de uma hidrelétrica
Detalhamento da estrutura interna de uma usina hidrelétrica.
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Hidrelétrica: impactos ambientais em relação aos recursos hídricos
Quais são os impactos ambientais das hidrelétricas em relação aos recursos hídricos?
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Transformador
Qual é a função dos transformadores?
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