As principais componentes das centrais são o gerador e as turbinas. As outras são também importantes mas o gerador e as turbinas são as mais complexas e as quais vou passar a explicar melhor.
-Turbinas
O tipo de turbinas utilizadas nas centrais hidroeléctricas são turbinas hidráulicas.
As turbinas hidráulicas foram projectadas para transformar a energia mecânica (a energia de pressão e a energia cinética) de um fluxo de água, em potência de eixo.
As turbinas hidráulicas dividem-se em quatro tipos principais: Pelton, Francis, Kaplan, Bulbo. Cada um desses tipos é adaptado para funcionar em centrais, como uma determinada faixa de altura de queda. As vazões volumétricas podem ser igualmente grandes em qualquer uma delas, mas a potência será proporcional ao produto da queda (H) e da vazão volumétrica (Q).
Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela tomada de água, a montante da central hidroeléctrica que está num nível mais elevado, e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Lá a água passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para aumentar a potência as palhetas abrem-se, para diminuir a potência elas fecham-se. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina. Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, mas sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O controle da vazão é feito por este dispositivo.
Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial dela, é transferida para o rotor na forma de troque e velocidade de rotação. Devido a isto a água na saída da turbina está a uma pressão um pouco menor que a atmosférica, e bem menor do que a inicial.
Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante do rio, no nível mais baixo. As turbinas Pelton, têm um princípio um pouco diferente (impulsão) pois a pressão é primeiro transformada em energia cinética, num bocal, onde o fluxo de água é acelerado até uma alta velocidade, e depois choca-se com as pás da turbina imprimindo-lhe rotação e torque.
As turbinas hidráulicas, podem ser montadas com o eixo no sentido vertical. Um mancal de escora suporta todo o peso das partes girantes da turbina e do gerador que é montado logo acima dela. Nas pequenas centrais, as turbinas são fabricadas com o eixo na horizontal.
Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instalada em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar electricidade. Por esta razão a velocidade de rotação é fixada num valor constante.
A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão: P = ρQHgη
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fracção da energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência de eixo). As principais causas da "perda" de energia nas turbinas são:
Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina.
Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais.
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia conforme a vazão de água e a potência gerada.
Uma turbina é constituída basicamente por cinco partes: caixa espiral, pré-distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de sucção.
Em todos os tipos há alguns princípios de funcionamento comuns. A água entra pela tomada de água, a montante da central hidroeléctrica que está num nível mais elevado, e é levada através de um conduto forçado até a entrada da turbina. Lá a água passa por um sistema de palhetas guias móveis, que controlam a vazão volumétrica fornecida à turbina. Para aumentar a potência as palhetas abrem-se, para diminuir a potência elas fecham-se. Após passar por este mecanismo a água chega ao rotor da turbina. Nas turbinas Pelton, não há um sistema de palhetas móveis, mas sim um bocal com uma agulha móvel, semelhante a uma válvula. O controle da vazão é feito por este dispositivo.
Por transferência de quantidade de movimento parte da energia potencial dela, é transferida para o rotor na forma de troque e velocidade de rotação. Devido a isto a água na saída da turbina está a uma pressão um pouco menor que a atmosférica, e bem menor do que a inicial.
Após passar pelo rotor, um duto chamado tubo de sucção, conduz a água até a parte de jusante do rio, no nível mais baixo. As turbinas Pelton, têm um princípio um pouco diferente (impulsão) pois a pressão é primeiro transformada em energia cinética, num bocal, onde o fluxo de água é acelerado até uma alta velocidade, e depois choca-se com as pás da turbina imprimindo-lhe rotação e torque.
As turbinas hidráulicas, podem ser montadas com o eixo no sentido vertical. Um mancal de escora suporta todo o peso das partes girantes da turbina e do gerador que é montado logo acima dela. Nas pequenas centrais, as turbinas são fabricadas com o eixo na horizontal.
Normalmente, devido ao seu alto custo e necessidade de ser instalada em locais específicos, as turbinas hidráulicas são usadas apenas para gerar electricidade. Por esta razão a velocidade de rotação é fixada num valor constante.
A potência de uma turbina pode ser calculada pela seguinte expressão: P = ρQHgη
O índice η é a eficiência total da turbina. A eficiência é a fracção da energia total da fonte de energia primária (no caso a água) que é convertida em energia útil (no caso potência de eixo). As principais causas da "perda" de energia nas turbinas são:
Perdas hidráulicas: a água tem que deixar a turbina com alguma velocidade, e esta quantidade de energia cinética não pode ser aproveitada pela turbina.
Perdas mecânicas: são originadas por atrito nas partes móveis da turbina e calor perdido pelo aquecimento dos mancais.
Tipicamente turbinas modernas têm uma eficiência entre 85% e 99%, que varia conforme a vazão de água e a potência gerada.
Uma turbina é constituída basicamente por cinco partes: caixa espiral, pré-distribuidor, distribuidor, rotor e eixo, tubo de sucção.
-Gerador
O gerador é um dispositivo utilizado para a conversão da energia mecânica, química ou outra forma de energia em energia eléctrica.
Tipos de geradores que convertem energia mecânica em eléctrica:
-Gerador Síncrono
-Gerador de indução ou Gerador Assíncrono
-Gerador de Corrente contínua
O tipo mais comum de gerador eléctrico, o dínamo (gerador de corrente contínua) de uma bicicleta, depende da indução electromagnética para converter energia mecânica em energia eléctrica, a lei básica da indução electromagnética é baseada na Lei de Faraday de indução combinada com a Lei de Ampere que são matematicamente expressas pela 3º e 4º equações de Maxwell, respectivamente.
O dínamo funciona convertendo a energia mecânica contida na rotação do eixo do mesmo que faz com que a intensidade de um campo magnético produzido por um Íman permanente que atravessa um conjunto de enrolamentos varie no tempo, o que pela Lei da indução de Faraday leva a indução de tensões nos terminais dos mesmos
A energia mecânica (muitas vezes proveniente de uma turbina hidráulica, à gás ou a vapor) é utilizada para fazer girar o rotor, o qual induz uma tensão nos terminais dos enrolamentos, que ao serem conectados a cargas levam a circulação de correntes eléctricas pelos enrolamentos e pela carga.
No caso de um gerador que fornece uma corrente contínua, um interruptor mecânico ou anel comutador, alterna o sentido da corrente de forma que a mesma permaneça unidireccional independente do sentido da posição e da força electromotriz induzida pelo campo. Os grandes geradores das centrais geradoras de energia eléctrica fornecem corrente alternada e utilizam turbinas hidráulicas e Geradores Síncronos.
Tipos de geradores que convertem energia mecânica em eléctrica:
-Gerador Síncrono
-Gerador de indução ou Gerador Assíncrono
-Gerador de Corrente contínua
O tipo mais comum de gerador eléctrico, o dínamo (gerador de corrente contínua) de uma bicicleta, depende da indução electromagnética para converter energia mecânica em energia eléctrica, a lei básica da indução electromagnética é baseada na Lei de Faraday de indução combinada com a Lei de Ampere que são matematicamente expressas pela 3º e 4º equações de Maxwell, respectivamente.
O dínamo funciona convertendo a energia mecânica contida na rotação do eixo do mesmo que faz com que a intensidade de um campo magnético produzido por um Íman permanente que atravessa um conjunto de enrolamentos varie no tempo, o que pela Lei da indução de Faraday leva a indução de tensões nos terminais dos mesmos
A energia mecânica (muitas vezes proveniente de uma turbina hidráulica, à gás ou a vapor) é utilizada para fazer girar o rotor, o qual induz uma tensão nos terminais dos enrolamentos, que ao serem conectados a cargas levam a circulação de correntes eléctricas pelos enrolamentos e pela carga.
No caso de um gerador que fornece uma corrente contínua, um interruptor mecânico ou anel comutador, alterna o sentido da corrente de forma que a mesma permaneça unidireccional independente do sentido da posição e da força electromotriz induzida pelo campo. Os grandes geradores das centrais geradoras de energia eléctrica fornecem corrente alternada e utilizam turbinas hidráulicas e Geradores Síncronos.
A imagem mostra o topo de um Gerador Síncrono de uma central hidroeléctrica sob manutenção
Há muitos outros tipos de geradores eléctricos. Geradores electrostáticos, como a máquina de Wimshurst, e em uma escala maior, os geradores de van de Graaff, são principalmente utilizados em trabalhos especializados que exigem Tensões muito altas, mas com uma baixa corrente e potências não muito elevadas.
Isso deve-se ao facto de que nesses tipos de gerador, a densidade volumétrica da energia não é pequena, ou seja, para que se tenha uma grande quantidade de energia a ser convertida é necessário um grande volume por parte da estrutura do gerador.
O mesmo não ocorre nos geradores que operam baseados em princípios electromagnéticos pois os mesmos permitem uma concentração volumétrica de energia bem maior.
Um dos exemplos da aplicação é no fornecimento de energia para os aceleradores de partículas
