UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS UNIDADE UNIVERSITÁRIA DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS TECNOLÓGICAS ENGENHARIA AGRÍCOLA
DIMENSIONAMENTO DE UMA PEQUENA BARRAGEM DE TERRA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA HIDRELÉTRICA E IRRIGAÇÃO EM UMA PROPRIEDADE RURAL
Fausto Rafael Leão
ANÁPOLIS – GO GO 2012
FAUSTO RAFAEL LEÃO
DIMENSIONAMENTO DE UMA PEQUENA BARRAGEM DE TERRA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA HIDRELÉTRICA E IRRIGAÇÃO EM UMA PROPRIEDADE RURAL
Monografia apresentada a Universidade Estadual de Goiás – UnUCET, UnUCET, para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Agrícola. Área de concentração: Estruturas Hidráulicas Rurais. Orientador: Prof. Esp. Neander Berto Mendes.
ANÁPOLIS – GO GO 2012
FAUSTO RAFAEL LEÃO
DIMENSIONAMENTO DE UMA PEQUENA BARRAGEM DE TERRA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA HIDRELÉTRICA E IRRIGAÇÃO EM UMA PROPRIEDADE RURAL
Monografia apresentada a Universidade Estadual de Goiás – UnUCET, UnUCET, para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Agrícola. Área de concentração: Estruturas Hidráulicas Rurais. Orientador: Prof. Esp. Neander Berto Mendes.
ANÁPOLIS – GO GO 2012
FAUSTO RAFAEL LEÃO
DIMENSIONAMENTO DE UMA PEQUENA BARRAGEM DE TERRA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA HIDRELÉTRICA E IRRIGAÇÃO EM UMA PROPRIEDADE RURAL
Monografia apresentada a Universidade Estadual de Goiás – UnUCET, UnUCET, para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Agrícola. Área de concentração: Estruturas Hidráulicas Rurais.
Aprovada em:
BANCA EXAMINADORA
Prof. Esp. Neander Berto Mendes Universidade Estadual de Goiás – Goiás – UnUCET UnUCET Orientador
Prof. Augusto Fleury, Pós Dr. Universidade Estadual de Goiás – Goiás – UnUCET UnUCET Membro Avaliador
Prof.ª Roberta Passini, Pós Dra. Dr a. Universidade Estadual de Goiás – Goiás – UnUCET UnUCET Supervisora de TCC
AGRADECIMENTOS Agradeço Primeiramente a Deus por mais esta realização na minha vida. Ao professor, amigo e orientador, Neander Berto Mendes, pela dedicação, incentivo e ensinamentos. ensinamentos. Ao professor e avaliador Augusto Fleury, por sua contribuição. contribuição. A professora e supervisora de TCC Roberta Passini. Passini. A UEG e a todos os professores que me ajudaram até aqui. A meus pais, Vânio José Leão e Lívia Costa Faria Leão, e minha irmã, Lídia Vânia Leão, por todo apoio e dedicação. A meus avós Edésio da Costa Faria, e Edite Cotrim Faria ( in memoriam), por todo o apoio e cuidado. A toda a minha família. A Jéssica Menezes Honorato, pelo companheirismo, companheirismo, carinho e afeto. A Ana Cláudia Oliveira Sérvulo, Victor Austiclínio, Filipe Lamim, Jorge Potenciano e Rafael Araújo, pela amizade e camaradagem. A todos os meus amigos.
ii
SUMÁRIO
LISTA LISTA DE FIGURAS FIGURAS .................................. .................................................. .................................. .................................. .................................. ..................... ... vi LISTA LISTA DE TABELAS.......... TABELAS........................... ................................... ................................... .................................. ................................... ........................ ...... viii LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................ i x RESUMO RESUMO ................................. .................................................. .................................. ................................. .................................. ................................... ........................ ....... x 1. INTRODU INTRODUÇÃO........... ÇÃO........................... .................................. ................................... .................................. ................................... ............................ .......... 11 2. OBJETIVOS OBJETIVOS ............................... ................................................. ................................... .................................. ................................... ............................ .......... 13 2.1.
OBJETIVO GERAL GERAL ................................ ................................................. ................................... .................................. ........................... ........... 13
2.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICO ESPECÍFICOS S ................................. .................................................. ................................... ............................... ............. 13
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 14 3.1.
RECURSOS HÍDRICOS HÍDRICOS .................................. ................................................... .................................. .................................. ..................... 14
3.2.
TIPOS DE BARRAGE BARRAGEM M .................................. ................................................... .................................. .................................. ..................... 15
3.3.
BARRAGEM DE TERRA ................................... ................................................... .................................. .................................. ................ 17
3.3.1.
Elementos da Barragem de Terra .................................. ................................................... .............................. ............. 17
3.3.2.
Tipos de Barragem de Terra ................................. .................................................. .................................. ...................... ..... 19
3.3.2.1. Barragem Simples .................. ......... ................... .................. .................. ................... .................. .................. ................... .............. .... 21 3.3.2.2. Barragem com Núcleo .................. ......... ................... ................... .................. .................. .................. .................. ................. ........ 22
3.3.3.
Local da Construção da Barragem ................................... ................................................... ........................... ........... 23
3.3.4.
Vertedouro ................................. ................................................. .................................. ................................... ................................. ................ 24
3.4.
BACIA HIDROGRÁF HIDROGRÁFICA ICA .................................. .................................................. .................................. .................................. ................ 25
3.4.1.
Tempo de Concentração .................................. ................................................... ................................... ............................ .......... 26
3.4.2.
Intensidade de Precipitação ................................ ................................................. ................................... ......................... ....... 26
3.4.3.
Produção Hídrica da Bacia ................................. .................................................. ................................... ......................... ....... 27
3.4.4.
Vazão de Projeto ............................... ................................................. ................................... .................................. ......................... ........ 27
3.5.
USOS DA BARRAGEM............ BARRAGEM............................ .................................. ................................... .................................. ......................... ........ 28
3.6.
PRODUÇÃO DE ENERGIA........... ENERGIA............................ ................................... .................................. .................................. ...................... 28
3.6.1.
Potencial Hidrelétrico Brasileiro ................................. .................................................. ................................. ................ 29
3.6.2.
Aproveitamento Aproveitamento Hidráulico ................................ ................................................. ................................... ......................... ....... 31
3.6.3.
Classificação das Usinas Hidrelétricas ................................ ................................................. ......................... ........ 32
3.6.4.
................................................. ................................... ......................... ....... 32 A Micro Usina Hidrelétrica ................................
3.6.4.1. Componentes Componentes de uma Micro usina usina Hidrelétrica.................. Hidrelétrica......... ................... .................. ................ ........ 33 3.6.4.1.1.
Sistema de Captação de Águ Água a ........ .... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... 34
3.6.4.1.1.1.
Captação de água diretamente de rios ................... .......... .................. .................. ............... ...... 34
3.6.4.1.1.2.
Captação de água de barragens .................................................... 34
3.6.4.1.2. Sistema de tomada .................................................. ................................. ................ 34 tomada d’água ................................. 3.6.4.1.2.1.
Grades............... Grades............................... .................................. ................................... .................................. ......................... ........ 35
3.6.4.1.2.2.
Comporta Comportass ................................... ................................................... .................................. .................................. ................ 36
3.6.4.1.2.3.
Stop logs............................ .............................................. ................................... .................................. ......................... ........ 37
3.6.4.1.2.4. Desarenador.......... ................... ......... ................... .................. .................. .................. ................... ................. ....... 37
3.6.4.1.3. Sistema de Adução .................................................. ................................. ................ 38 Adução d’água ................................. 3.6.4.1.3.1.
Tubulação Forçada ....................................................................... 38
3.6.4.1.3.2.
Canal de Adução ........................................................................... 39
3.6.4.1.4.
Câmar Câmar a de Carga Car ga ................... .......... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ............... ...... 40
3.6.4.1.5.
Tu bul ação F orç or çada .................. ........ ................... .................. ................... ................... .................. .................. ............ ... 41
3.6.4.1.6.
Casa Casa de M áqui nas ................... ......... ................... .................. .................. .................. .................. ................... .............. .... 43
3.6.4.1.6.1.
Turbina Turbina ................................. .................................................. .................................. .................................. ...................... ..... 44
3.6.4.1.6.2.
Gerador Gerador................................. .................................................. .................................. .................................. ...................... ..... 44
3.6.4.1.6.3.
Sistema de Controle de Tensão e de Frequência ................... .......... .................. ......... 45
3.6.4.1.6.4.
Volante Volante de Inércia ....................................... ........................................................ .................................. ................. 47
3.6.4.1.6.5. Painel de Controle.................. ......... .................. .................. ................... ................... .................. .................. ......... 47
3.7.
3.6.4.1.7.
Canal de F uga .......................................... ........................................................... .................................. ......................... ........ 48
3.6.4.1.8 .
L i nh a de Tr ansmissã ansmissão................. o........ .................. .................. ................... ................... .................. .................. ......... 49
IRRIGAÇÃO IRRIGAÇÃO ................................... ................................................... .................................. .................................. .................................. ...................... 51
4. MATERIAL E MÉTODOS ........................................................................................ 54 4.1.
DADOS DO PROJETO PROJETO ................................. .................................................. .................................. .................................. ...................... ..... 54
4.2.
PRODUÇÃO HÍDRICA DA MICRO BACIA .................................. ................................................... ...................... ..... 56
4.3.
DEMANDA DA FAZENDA......... FAZENDA......................... .................................. ................................... .................................. ...................... ..... 59
4.4.
BALANÇO HÍDRICO HÍDRICO ............................... ................................................. ................................... .................................. ......................... ........ 62
4.5. DIMENSIONAMENTO DA BARRAGEM BARRAGEM ................................. .................................................. .............................. ............. 64
4.5.1. Volume de Amortecimento .................................. ................................................... ................................... ............................ .......... 66 4.5.2. Vazão Máxima .................................. ................................................... ................................... ................................... .............................. ............. 67 4.5.3. Sistema Extravasor Extravasor ............................... ................................................. ................................... .................................. ......................... ........ 71 4.5.4. Desarenador ................................... ................................................... ................................. .................................. .................................. ................. 74
4.6. MICRO USINA ......................................................................................................... 76 4.6.1. Tomada d’água .................................................................................................. 76
4.6.2. Câmara de Carga .............................................................................................. 77 4.6.3. Tubulação Forçada ........................................................................................... 78 4.6.4. Turbina Hidráulica e Gerador .......................................................................... 81 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................... 83 5.1.
BARRAGEM ........................................................................................................ 83
5.1.1.
Sistema Extravasor ....................................................................................... 87
5.1.2.
Desarenador .................................................................................................. 89
5.2.
MICRO USINA ..................................................................................................... 90
5.2.1.
Tomada d’água ............................................................................................. 90
5.2.2.
Câmara de Carga .......................................................................................... 91
5.2.3.
Tubulação Forçada ....................................................................................... 92
5.2.4.
Turbina Hidráulica e Gerador ..................................................................... 94
5.3.
O USO MÚLTIPLO DO RESERVATÓRIO .......................................................... 97
6. CONCLUSÕES ........................................................................................................... 98 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 99 APÊNDICE A .................................................................................................................. 103 APÊNDICE B ................................................................................................................... 105 ANEXO 1.......................................................................................................................... 107
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1- Barragem de Gravidade (a); Barragem em Arco (b); Barragem de Contrafortes (c); Barragem de Terra (d).................................................................................................... 16 FIGURA 2- Representação esquemática dos elementos básicos de uma barragem de terra. .. 18 FIGURA 3- Linha de Saturação: Terminando fora da barragem (a); Terminando dentro da barragem (b). ....................................................................................................................... 20 FIGURA 4- Barragem de Terra Simples com Corpo Homogêneo. ........................................ 21 FIGURA 5- Barragem de Terra Simples com Corpo Heterogêneo. ....................................... 21 FIGURA 6- Representação do Dreno de pé em uma Barragem............................................. 22 FIGURA 7- Representação da proteção do talude................................................................. 22 FIGURA 8- Barragem de Terra com Núcleo Impermeável. .................................................. 23 FIGURA 9- Barragem de Terra com Capa Impermeabilizadora. .......................................... 23 FIGURA 10- Vertedouro. .................................................................................................... 24 FIGURA 11- Bacia Hidrográfica. ......................................................................................... 25 FIGURA 12- Porcentagem das fontes de energia no Mundo. ................................................ 29 FIGURA 13- Esquema de geração e distribuição de energia hidrelétrica. ............................. 31 FIGURA 14- Representação dos componentes da Micro central. .......................................... 33 FIGURA 15- Detalhe da instalação das grades. .................................................................... 35 FIGURA 16- Comporta para controle de vazão. ................................................................... 36 FIGURA 17- Representação do Stop logs............................................................................. 37 FIGURA 18- Detalhes do desarenador. ................................................................................ 38 FIGURA 19- Sistema de adução d’água por tubulação forçada. ........................................... 39 FIGURA 20- Sistema de adução d’água por canal aberto. .................................................... 39 FIGURA 21- Extravasor de água no canal de adução. .......................................................... 40 FIGURA 22- Detalhes da câmara de carga. .......................................................................... 41 FIGURA 23- Tubulação Forçada. ........................................................................................ 41 FIGURA 24- Representação dos blocos de apoio, ancoragem e juntas de expansão. ............. 42 FIGURA 25- Casa de máquinas. .......................................................................................... 43 FIGURA 26- Representação da turbina e do gerador. ........................................................... 44 FIGURA 27- Regulador hidráulico. ..................................................................................... 46 FIGURA 28- Controlador Eletrônico. .................................................................................. 46 FIGURA 29- Volante de Inércia. .......................................................................................... 47 vi
FIGURA 30- Painel de Controle. ......................................................................................... 48 FIGURA 31- Soleira afogada. .............................................................................................. 49 FIGURA 32- Centro de distribuição de circuitos. ................................................................. 50 FIGURA 33- Detalhe do aterramento do sistema elétrico. .................................................... 51 FIGURA 34- Irrigação por superfície. .................................................................................. 52 FIGURA 35- Irrigação sob pressão. ..................................................................................... 52 FIGURA 36 - Mapa de localização da Fazenda Rio dos Bois. .............................................. 54 FIGURA 37 - Micro bacia do Córrego Poções. .................................................................... 55 FIGURA 38 - Croqui da Planta da Fazenda Rio dos Bois. .................................................... 56 FIGURA 39 - Curva de Permanência. .................................................................................. 58 FIGURA 40 - Planta dos Centros de Consumo da Fazenda .................................................. 59 FIGURA 41 - Gráfico de Demanda da Propriedade .............................................................. 62 FIGURA 42 - Curvas de Nível da Bacia de Acumulação ...................................................... 64 FIGURA 43 - Relação Cota x Volume Acumulado. ............................................................. 67 FIGURA 44 - Escada Dissipadora. ....................................................................................... 74 FIGURA 45 - Seleção de turbinas hidráulicas ...................................................................... 81 FIGURA 46 – Seção Transversal da Barragem. .................................................................... 87 FIGURA 47 - Vista lateral da escada de dissipação. ............................................................. 88 FIGURA 48 - Vista Frontal da Escada de Dissipação. .......................................................... 89 FIGURA 49 - Detalhe do Desarenador da Barragem. ........................................................... 90 FIGURA 50 - Canal da Tomada d'água da Micro Usina. ...................................................... 91 FIGURA 51 - Câmara de Carga. .......................................................................................... 92 FIGURA 52 - Bloco de Apoio. ............................................................................................. 93 FIGURA 53 - Bloco de Ancoragem. .................................................................................... 94 FIGURA 54 - Esquema básico da turbina. ............................................................................ 95 FIGURA 55 - Conjunto turbina/gerador. .............................................................................. 96
vii
LISTA DE TABELAS TABELA 1- Potencial Hidrelétrico Brasileiro por Bacia Hidrográfica – Dezembro 2011 (MW)................................................................................................................................... 30 TABELA 2- Classificação das Hidrelétricas ......................................................................... 32 TABELA 3 - Levantamento de cargas por setor. .................................................................. 60 TABELA 4 - Demanda da propriedade por hora (kW).......................................................... 61 TABELA 5 - Cotas, Áreas e Volumes do Reservatório......................................................... 65 TABELA 6 - Valores mínimos de folga em função da extensão do espelho d'água e da profundidade da água junto à barragem (m).......................................................................... 65 TABELA 7 - Sugestões de altura do extravasor em função da altura da barragem (m). ......... 66 TABELA 8 - Inclinação dos taludes em função do tipo de material usado e da altura do aterro. ............................................................................................................................................ 66 TABELA 9 - Valores do coeficiente de escoamento superficial (C)...................................... 70 TABELA 10 - Velocidades médias, em função do material das paredes do canal. ................ 72 TABELA 11 - Coeficientes de rugosidade (C) de Hazen-Wiliams. ....................................... 75 TABELA 12 - Recomendações para o comprimento, largura e altura do desarenador em função da vazão. .................................................................................................................. 78 TABELA 13 - Balanço Hídrico ............................................................................................ 83 TABELA 14 - Vazão escoada pelo extravasor ...................................................................... 87 TABELA 15 - Dimensões dos Blocos de Apoio ................................................................... 92 TABELA 16 - Dimensões dos Blocos de Ancoragem........................................................... 93
viii
LISTA DE ABREVIATURAS ANA – Agência Nacional de Águas ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica CELG – Centrais Elétricas de Goiás S.A. CIGB – Comissão Internacional de Grandes Barragens DNAEE – Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica ELETROBRAS – Centrais Elétricas Brasileira S.A. FAO – Food and Agriculture Organization (Organização das Nações Unidas para a Alimentação e Agricultura) GW – Gigawatt IEA – International Energy Agency (Agência Internacional de Energia) KW – Quilowatt MW – Megawatt V - Volts
ix
RESUMO Barragens são estruturas construídas com o objetivo de proporcionar o represamento da água para finalidades diversas, destacando-se: irrigação, abastecimento de água, aproveitamento hidrelétrico, navegação, dentre outras. Elas podem ser dimensionadas para uma única finalidade ou para duas ou mais finalidades, as de uso múltiplo. Uma barragem pode ser construída por diferentes tipos de material; no meio rural há um predomínio de barragens de terra, por terem procedimentos de projetos mais simples e utilização de material natural do próprio local da construção, dimensionadas principalmente para a irrigação. Levando em consideração a crescente demanda por energia elétrica em propriedades rurais, o aproveitamento hidráulico de cursos d’água se torna uma importante fonte de produção de energia, oferecendo à propriedade uma alternativa viável e simples de obtenção de energia elétrica. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi o dimensionamento de uma barragem de terra para irrigação e geração de energia hidrelétrica através de uma Micro Usina. A irrigação foi do tipo aspersão com uma demanda de 30m³.h -1, com um tempo de irrigação de 12 h em uma área de 50 hectares. Foram feitos os cálculos para as dimensões e estruturas hidráulicas da barragem, para as obras civis da Micro Usina e para a turbina e o gerador. Como resultado a barragem apresentou uma altura normal de 10 m e uma altura total de 12 m, a largura da crista foi de 5 m e a largura de fundo de 68 m. O extravasor da barragem foi um canal retangular revestido por concreto com 2,1 m de largura por 1 m de altura. O desarenador da barragem foi uma tubulação de concreto de 1,5 m de diâmetro. Para a Micro Usina foram dimensionados um canal para tomada d’água com largura de 0,8 m por 0,54 m de altura, uma câmara de carga de 1,3 m de largura, 1,6 m de comprimento e 0,3 m de altura, uma tubulação forçada de aço de 350 m por 0,55 m de diâmetro. A turbina selecionada para a Micro Usina foi do tipo Michel Banki e um gerador trifásico com escovas de 220 V, gerando uma potência de 27,6 kW. Palavras-chave: Barragem de Uso Múltiplo, Micro Usina, Estrutura Hidráulica.
x
1.
INTRODUÇÃO A construção de uma barragem em uma propriedade rural é necessária dependendo
da atividade que vai ser conduzida pelo produtor. O reservatório criado tem a finalidade de acumular água ou elevar o nível do curso d’água , permitindo assim, o abastecimento de água para comunidades, irrigação, geração de energia hidrelétrica, entre outros (LOPES e LIMA, 2008). De acordo com CIGB (2008), a agricultura irrigada é a atividade que mais demanda de água no mundo, sendo que das terras agricultáveis apenas 1/5 é irrigada e esta parcela é responsável por 1/3 da produção mundial de alimentos. Há a estimativa de que 80% da produção de alimentos até 2025 virá de terras irrigadas e a construção de mais projetos de reservatórios se tornam necessários mesmo com procedimentos de economia de água por meio de melhorias na tecnologia de irrigação. No que diz respeito a geração de energia a água tem sido usada desde a era romana. No início era utilizada para mover moinhos, porém com o desenvolvimento da turbina hidráulica no início do século XIX, passou a ser utilizada para produção de eletricidade no final do século XIX (CIGB, 2008). Segundo ANEEL (2008), a participação da hidroeletricidade na produção total de energia elétrica no Brasil é da ordem de 83,2%. De acordo com Tiago Filho et al. (2010), a disponibilidade de energia no meio rural proporciona conforto e melhor qualidade de vida ao homem do campo. Economicamente, contribui para o aumento da produção agrícola e maior qualidade dos produtos. Apesar de ser de grande importância, a energia elétrica não está presente em todas as propriedades rurais do Brasil, principalmente pela dimensão territorial do país. Desta forma a Micro Usina rural se torna uma alternativa viável e simples para a geração de energia desde que a propriedade apresente características que possibilitem a instalação da Micro Usina. Com a micro central a geração de energia pode proporcionar o acionamento de praticamente todos os tipos de máquinas agrícolas, iluminar residências e bombear água para sistemas de irrigação. Outra vantagem é a utilização de linhas trifásicas, enquanto que as linhas das concessionárias na maioria das vezes são monofásicas (TIAGO FILHO et al., 2010). Para a geração de energia é feita a captação de água de um curso d’água e o direcionamento do fluxo para a turbina hidráulica. Esta captação pode ser feita diretamente do curso do rio ou de barragens, quando a vazão de água do curso não é constante. Além disso, 11
todos o componentes da micro central precisam ser adequadamente dimensionados para a garantia de uma energia de qualidade. Segundo Carvalho (2008), a construção da barragem deve obedecer a critérios básicos fundamentais de segurança, no entanto é comum encontrar em propriedades rurais barragens construídas sem nenhum dimensionamento técnico, assim se tornando estruturas com alto risco de rompimento. Desta forma, a construção de uma barragem de terra requer a elaboração de um projeto técnico que contemporize conhecimentos de diversas áreas da engenharia, de forma a atender tecnicamente todas as partes que formam o complexo “ barragem”. Outra questão é que ao se construir uma barragem sem o correto dimensionamento os custos com a obra podem se elevar, como por exemplo, uma barragem ser construída bem maior do que ela realmente precisava ser.
12
2.
OBJETIVOS
2.1.
OBJETIVO GERAL Dimensionar uma barragem de terra para geração de energia elétrica e irrigação.
2.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Dimensionamento das estruturas hidráulicas que compõem o complexo “ barragem”. Dimensionar as obras civis e os equipamentos eletromecânicos da Micro Usina
hidrelétrica.
13
3.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1.
RECURSOS HÍDRICOS A água é um recurso essencial para a vida, renovável, porém cada vez mais difícil de
ser encontrada em boas condições e em abundância, seu uso está presente em qualquer produto acabado destinado ao consumidor, seja ele alimentício ou bem de consumo, sendo incorporada ao produto ou utilizada no seu processo (MARZULLO et al., 2010). Segundo Lorensi et al. (2010), o planeta possui cerca de dois terços de sua superfície coberta por água, sendo esta composta por oceanos, mares, geleiras, neves, lagos e rios. Dessa porção apenas 2,8% é água doce e destes apenas 0,02% de fácil acesso, composta por rios e lagos. O Brasil é um país de dimensões continentais com uma área de 8,5 milhões de km², com uma costa de cerca de 8.500 km de extensão, onde se concentra a maior parte da população. O país possui uma diversidade biológica rica nos três seguintes aspectos: genético, variedade de espécies e de ecossistemas – como consequência de uma grande variedade climática e geomorfológica (LORENSI et al., 2010). O país é dotado de uma vasta e densa rede hidrográfica, sendo que muitos de seus rios destacam-se pela extensão, largura e profundidade. Em decorrência da natureza do relevo, predominam os rios de planalto, que possuem um alto potencial para a geração de energia elétrica. Dentre os grandes rios em território nacional, o Amazonas e o Paraguai são os principais rios de planície enquanto que o São Francisco e o Paraná são os principais rios de planalto (LORENSI et al., 2010). De acordo com Barros (2008), aproximadamente 89% do volume de água total, no Brasil, encontra-se nas regiões Centro-Oeste e Norte, onde reside uma pequena porcentagem da população do país. Já as regiões Nordeste, Sudeste e Sul, onde reside cerca de 85% da população do país, dispõem apenas de 11% do potencial hídrico brasileiro. O grande potencial hídrico do Brasil, que corresponde a 8% das reservas hídricas do mundo, faz com que 95% da energia elétrica gerada seja por meio de hidrelétricas. Tanto no meio urbano como no rural, a energia é distribuída, até os pontos de consumo, de forma convencional, pelas linhas de transmissão, a partir das concessionárias de energia elétrica (TIAGO FILHO et al., 2010).
14
Com o rápido crescimento populacional, a demanda de água vem aumentando e, em contrapartida, a sua disponibilidade tem diminuído velozmente (LORENSI et al., 2010). 3.2.
TIPOS DE BARRAGEM De acordo com Carvalho (2008), barragens são estruturas construídas para o
represamento da água e tem diversas finalidades, como por exemplo: irrigação, aproveitamento hidroelétrico, abastecimento de água e navegação. Existem vários tipos, podendo ser observadas na Figura 1, sendo a classificação feita em função do tipo de construção e material empregado:
Barragens de gravidade: possui uma forma triangular típica e estabilidade
garantida pelo peso próprio da estrutura;
Barragens em arco: possui estrutura delgada e em arco, de concreto, apoiada
em ombreiras e fundações rochosas;
Barragens de contrafortes: utiliza lajes de sustentação (contrafortes) ao longo
do corpo da barragem;
Barragens de terra: possui maciço constituído por solos compactados em
camadas sucessivas; com sua estabilidade garantida pelo próprio peso da estrutura.
(a)
15
(b)
(c)
(d) FIGURA 1- Barragem de Gravidade (a); Barragem em Arco (b); Barragem de Contrafortes (c); Barragem de Terra (d). Fonte: BARRAGEM, 2011. 16
3.3.
BARRAGEM DE TERRA No meio rural há um predomínio das barragens de terra, em consequência da
facilidade de construção. Segundo FAO (2011), as barragens de terra são estruturas simples compactadas que dependem da sua massa para resistir ao deslizamento e tombamento e são encontradas em todo o mundo. Apresentam vantagens como: utilização de materiais naturais locais; projetos simples; menores investimentos; fundações menos exigentes devido a bases largas e; são mais adequadas para áreas onde existem movimentos do solo do que as estruturas mais rígidas. Porém existem algumas desvantagens como: são mais susceptíveis a danos ou destruição com passagem de água corrente sobre ou batendo contra ela; vertedouros de difícil construção e projeção; fragilidade se não compactada adequadamente e uniformemente e; necessitam de manutenção contínua evitando erosões, infiltrações e danos diversos.
3.3.1. Elementos da Barragem de Terra Segundo Carvalho (2008), para um melhor entendimento de uma barragem de terra alguns componentes precisam ser apresentados (Figura 2).
17
FIGURA 2- Representação esquemática dos elementos básicos de uma barragem de terra. Fonte: CARVALHO, 2008.
ATERRO: é o maciço, ou seja, é a estrutura com a função de reter a água;
ALTURA: é a distância vertical entre a superfície do aterro e a parte superior;
BORDA LIVRE OU FOLGA: distância vertical entre o nível da água e a crista
do aterro, quando a represa estiver cheia;
TALUDES: são as faces laterais do aterro, sendo o de montante aquele que está
em contato com a água, e o de jusante aquele que está do lado seco da barragem;
CRISTA: é a parte superior do aterro;
ESPELHO D’ÁGUA: superfície d’água acumulada no reservatório;
BASE OU SAIA DO ATERRO: projeção dos taludes de montante e jusante;
CUT-OFF: vala construída no eixo da barragem para maior segurança;
NÚCLEO: construído no centro do aterro para diminuição da infiltração; EXTRAVASOR OU VERTEDOURO: estrutura com a finalidade de escoar o
excesso de água da represa;
DESARENADOR: também conhecido como tubulação de fundo, tem a função
de controle do nível da represa e garantir o escoamento à jusante; 18
DISSIPADOR DE ENERGIA: tem a função de diminuir a energia cinética da
água, ao voltar ao seu leito natural.
3.3.2. Tipos de Barragem de Terra Ainda para Carvalho (2008) as barragens de terra requerem grandes quantidades de terra, que devem estar disponibilizadas preferencialmente próximas à obra. A barragem pode ser classificada em simples ou com núcleo impermeável dependendo do tipo de material utilizado em sua construção. Os materiais utilizados devem ser preferencialmente aqueles que possuam textura mista (areia, silte e argila). Para análise do material é aconselhável a sondagem do local de retirada do material a fim de verificar sua qualidade, pois as primeiras camadas do solo não são boas indicadoras da qualidade do material. Segundo Baptista e Coelho (2010), a barragem de terra não pode ser considerada como impermeável, pois ocorre em seu corpo a percolação d’ água, este fenômeno deve ser tratado com bastante cuidado. A percolação coloca em risco a estabilidade da barragem e por isto deve ser feito o traçado das redes de fluxo d’água em seu corpo. Através das redes de fluxo é possível determinar o local adequado de drenos e camadas impermeáveis. Para Lopes e Lima (2008), o fluxo da água irá causar o umedecimento de parte do maciço de terra, a partir da sua base. Assim se formará no interior da barragem uma linha de fluxo chamada linha de saturação, esta linha é determinada pela altura máxima do umedecimento do maciço, desta forma toda parte do maciço que está abaixo da linha de saturação estará sempre umedecida. Quando a linha de saturação termina fora do corpo da barragem podem ocorrer desmoronamentos que comprometerão a estabilidade da barragem, porém se a linha de saturação termina dentro do corpo da barragem os riscos de desmoronamentos são eliminados. Este fenômeno pode ser observado na Figura 3.
19
(a)
(b) FIGURA 3- Linha de Saturação: Terminando fora da barragem (a); Terminando dentro da barragem (b). Fonte: LOPES e LIMA, 2008.
De acordo com o Manual de Segurança e Inspeção de Barragens (2002), os taludes de montante e jusante assim como as ombreiras da barragem devem ser estáveis, os esforços na fundação da barragem não podem causar deformações que levem a fundação à ruptura e devem ser feitas inspeções na crista, taludes e ombreiras da barragem em busca de fissuras, abatimentos e desalinhamentos da superfície. A estabilidade da barragem, conforme Caputo (1985), compreende uma análise do corpo da barragem e do solo de fundação. No corpo da barragem é preciso considerar o problema dos recalques, da ruptura de taludes e tensões cisalhantes que se desenvolvem na base do maciço.
20
3.3.2.1.
Barragem Simples A barragem simples pode ser construída com material homogêneo (Figura 4) ou com
material heterogêneo (Figura 5).
FIGURA 4- Barragem de Terra Simples com Corpo Homogêneo. Fonte: LOUREIRO, 1994.
FIGURA 5- Barragem de Terra Simples com Corpo Heterogêneo. Fonte: LOUREIRO, 1994.
As barragens construídas com material homogêneo são recomendadas quando o solo do local da barragem oferecer condições apropriadas para construção e impermeabilização. São barragens que podem apresentar problemas como deslizamento de talude e infiltração com afloramento de água à jusante, estes problemas podem ser corrigidos com utilização de drenos no pé da barragem (Figura 6) e utilização de materiais grosseiros sobre o talude (Figura 7).
21
FIGURA 6- Representação do Dreno de pé em uma Barragem. Fonte: CARVALHO, 2008.
FIGURA 7- Representação da proteção do talude. Fonte: CARVALHO, 2008.
A utilização de material heterogêneo é feita quando o solo disponível não é de boa qualidade, neste caso deve-se tomar o cuidado de separar o material de melhor qualidade para ser utilizado na construção de talude de montante da barragem. 3.3.2.2.
Barragem com Núcleo O núcleo (Figura 8) é utilizado quando o material utilizado para construção da
barragem é de má qualidade, principalmente se houver uma camada arenosa, devido sua grande permeabilidade. Pode-se optar também pela construção de uma capa impermeabilizadora colocada externamente no talude de montante (Figura 9), o uso do núcleo e da capa em conjunto pode também ser feito. 22
O material utilizado para construção do núcleo é um composto de areia, cascalho e argila, esta última em maior quantidade, que originará em um bloco que se assemelha ao concreto. O concreto simples ou armado pode ser utilizado ao invés da argila.
FIGURA 8- Barragem de Terra com Núcleo Impermeável. Fonte: LOUREIRO, 1994.
FIGURA 9- Barragem de Terra com Capa Impermeabilizadora. Fonte: LOUREIRO, 1994.
3.3.3. Local da Construção da Barragem O local onde a barragem vai ser construída, de acordo com Hradilek (2002), deve possibilitar que: o vertedouro se localize fora do aterro, porém sem que esta localização gere correntes de água com altas velocidades ao longo dos taludes; as fundações da barragem sejam estáveis e confiáveis; a construção da barragem esteja no local mais estreito do curso d’água; à montante da barragem não existam desmoronamentos e; haja a construção de diques que se rompam em casos de cheias excepcionais preservando o aterro da barragem (diques fusíveis). Segundo FAO (2011), o local adequado é selecionado através de exercícios de campo ou com auxílio de fotografias aéreas e mapas de grande escala para avaliação da topografia local e condições hidrológicas. A finalidade da barragem também é um ponto importante para a escolha do local. No caso de irrigação, por exemplo, quanto mais longe da 23
área a ser irrigada mais tubulação será necessária, bomba com maior potência e etc. tudo isso encarece o sistema. Além disso, fatores como acessibilidade, disponibilidade de material, questões ambientais, áreas inundadas entre outros precisam ser analisados para a escolha do local. Um local adequado para a construção da barragem seria em uma bacia hidrográfica não muito grande para não encarecer o vertedouro, porém, nem muito pequena fazendo com que o rendimento do reservatório fique baixo. O levantamento de dados deve ser detalhado e preciso permitindo a melhor escolha da altura da barragem, e a comparação entre locais alternativos.
3.3.4. Vertedouro De acordo com Carvalho (2008), o vertedouro pode assumir várias posições em relação ao maciço (Figura 10), porém é preferível que ele esteja localizado fora do corpo da barragem e com características geométricas largas e rasas do que estreitas e profundas, sendo que seu leito seja preenchido por um material que não se desgaste com a água, como por exemplo, as pedras.
FIGURA 10- Vertedouro. Fonte: DAM SAFETY, 2012.
Para FAO (2011), a melhor opção seria a utilização de vertedouros naturais, como córregos, quando este for possível, pois a escavação se torna mais fácil, atentando-se apenas para a inclinação necessária de projeto. O vertedouro deve ser projetado para passagem da cheia do projeto. O tamanho do vertedouro leva em consideração o volume escoado pela bacia em picos de cheia (HRADILEK, 2002).
24
3.4.
BACIA HIDROGRÁFICA Conhecida também como Bacia de Contribuição ou Bacia de Drenagem é a área que
escoa ou drena toda a água da chuva para uma única seção de um curso d’água. É delimitada pelas maiores altitudes do terreno, e o ponto mais baixo por onde o curso d’água principal da bacia passa. A Bacia Hidrográfica pode ser observada na Figura 11.
FIGURA 11- Bacia Hidrográfica. Fonte: Site MUNDO LECOGEO, 2012.
Seu estudo é fator primordial para a determinação da vazão máxima de escoamento, que será utilizada no dimensionamento do vertedouro da barragem, e na estimativa da produção hídrica para o dimensionamento do reservatório de acumulação. (CARVALHO, 2008). Segundo Costa e Lança (2011), podem existir duas delimitações para uma bacia hidrográfica, uma topográfica e outra freática; esta última é determinada pela estrutura geológica dos terrenos podendo muitas vezes sofrer interferências pela topografia. Para Carvalho e Silva (2006), o sistema de drenagem de uma bacia é constituído por um rio principal e seus afluentes, assim é preciso um estudo de todas as ramificações do leito principal para uma melhor verificação da velocidade de escoamento da água que sai da bacia hidrográfica. 25
O relevo é um componente de grande influência sobre os fatores meteorológicos e hidrológicos da bacia, por conta da declividade do terreno que determina a velocidade de escoamento superficial, enquanto que a temperatura, a precipitação e a evaporação sofrem influência da altitude da bacia.
3.4.1. Tempo de Concentração Tempo de concentração é o tempo necessário para que toda a bacia hidrográfica contribua com o escoamento permanecendo constante enquanto a chuva for constante. (SILVA et al., 2007). Segundo Flizikowski et al. (2008), sua determinação é de grande importância para análise de ocorrência de enchentes para projetos de estruturas; assim podem ser tomadas medidas para a segurança dos projetos. A determinação do tempo de concentração pode ser feita por inúmeras fórmulas, levando em consideração características fisiográficas, ocupação e intensidade de precipitação. As fórmulas são desenvolvidas a partir de experimentos; assim precisam ser aplicadas em condições semelhantes àquelas em que foram propostas. Para Lima et al. (2007), o tempo de concentração em bacias rurais é maior do que em bacias urbanas, pois possuem terrenos com maior infiltrabilidade e sua vegetação causa o retardamento do escoamento superficial.
3.4.2. Intensidade de Precipitação Segundo Carvalho (2008), é a quantidade de chuva que cai por unidade de tempo; está relacionada ao tamanho da bacia e é fornecida por pluviógrafo que registra a altura de precipitação em função do tempo. Pode ser determinada através de uma série histórica, a partir de processos estatísticos, estimando-se sua ocorrência dentro de um tempo (frequência) e com uma determinada duração. Tempo de retorno é o período em anos que esta precipitação poderá recorrer ou ser superada; este tempo é utilizado para o dimensionamento de obras hidráulicas. Para projetos de obras hidráulicas são utilizados tempos de retorno de 5 a 10 anos. Para Galvíncio et al. (s.d.), o tempo de retorno para pequenas barragens de terra é de 50 a 100 anos e para extravasores de barragem de terra o tempo é de 1000 anos. 26
3.4.3. Produção Hídrica da Bacia De acordo com ANA (2010), a vazão na bacia deve ser compatível com os usos previstos para o projeto, para as infraestruturas e para a hidrologia (vazão que deve ser mantida a jusante da obra), sendo que a água deve ter a qualidade adequada para o fim a que se destina. A produção hídrica de uma bacia pode ser obtida através de séries históricas das vazões dos cursos d’água. Estes dados são mais facilmente encontrados para médias ou grandes bacias. Em se tratando de pequenas bacias, os dados utilizados nos cálculos são da grande bacia em que esta pequena bacia está inserida ou de bacias vizinhas, que apresentem características semelhantes, para as quais existam as informações procuradas. É comum e mais simples nestes casos, a translação de dados da bacia à qual pertence a área estudada (CARVALHO, 2008).
3.4.4. Vazão de Projeto A vazão de projeto ou vazão máxima é um dado de suma importância para o dimensionamento da barragem. Sua estimativa depende da quantidade e qualidade de dados hidrológicos da bacia em questão (CARVALHO, 2008). Para a sua determinação são utilizadas várias equações que foram ajustadas para diversas regiões do mundo. Tais equações deveriam ser utilizadas apenas nos locais onde foram concebidas, porém pela falta de informações hidrológicas podem ser utilizadas nos mais variados locais desde que estes apresentem similaridade com o local para onde a equação foi ajustada. Segundo FAO (2011), a vazão de projeto é esperada após a queda de uma chuva de intensidade de duração estimada para um determinado período de retorno, tendo em consideração as características hidrológicas da bacia. Em caso de já existirem obras na bacia, elas devem ser ignoradas para que não ocorra a redução da cheia máxima provável, aumentando assim a segurança da obra. De acordo com Hradilek (2002) em caso de grandes barragens, onde sua ruptura causaria grandes prejuízos à jusante, é necessário o dimensionamento da obra com a máxima cheia provável. Já para o caso de pequenas barragens, que quando analisadas não causam
27
demasiados prejuízos, o uso de cheias menores pode ser justificável, considerando os aspectos econômicos. 3.5.
USOS DA BARRAGEM Para CIGB (2008), ao longo dos tempos as barragens têm permitido que o homem
colete e armazene água nas épocas de abundância e a use nas épocas de estiagem, assim elas têm sido essenciais para o sustento de cidades como na geração de energia hidrelétrica e para o abastecimento de alimentos por meio da irrigação de plantações. Tinham apenas um propósito: fornecimento de água ou irrigação, porém com o desenvolvimento da humanidade novas necessidades foram aparecendo, como: controle de enchentes, navegação, controle de qualidade da água, controle de sedimentos e energia, além da recreação incluída para o lazer da população. Tendo como base o desenvolvimento e a gestão dos recursos hídricos das bacias, os projetos de barragens de usos múltiplos são muito importantes para países em desenvolvimento, pois assim a população ganha benefícios em termos domésticos e econômicos em um único investimento (CIGB, 2008). Cerca de 71,7% das barragens no mundo são de uso único, porém o número de barragens de uso múltiplo vem crescendo nos últimos tempos. Atualmente a irrigação é a função mais comum das barragens (48,6%), seguida da hidroeletricidade (17,4%), suprimento de água (12,7%), controle de enchentes (10%), recreação (5,3%), navegação e piscicultura (0,6%) e outras funções (5,4%) (CIGB, 2008). 3.6.
PRODUÇÃO DE ENERGIA Segundo ANEEL (2002), a energia é essencial à sobrevivência humana; assim o
homem está sempre em busca de novas formas de sua geração. Quando uma fonte está escassa ou esgotada o desenvolvimento científico e tecnológico tende a descobrir novas fontes alternativas em compensação àquelas não mais produzidas. Mesmo com toda a tecnologia disponível e diversas fontes de energia em uso, aproximadamente um terço da população do mundo ainda não tem acesso a este recurso, e outra grande parte é atendida de forma precária. De acordo com IEA (2012), em 2010 32,4% da energia era gerada do petróleo, 27,3% do carvão mineral, 21,4% do gás natural, 10% biocombustíveis e resíduos, 5,7% 28
nuclear, 2,3% hidráulica e 0,9% de outras fontes, com um total de 12.717 Mtpe (tonelada equivalente de petróleo) (Figura 12). Hidráulica
Biocombustíveis e resíduos
Outras
Carvão/Turfa
Nuclear
Petróleo Gás Natural
12.717 Mtpe
FIGURA 12- Porcentagem das fontes de energia no Mundo. Fonte: IEA, 2012.
3.6.1. Potencial Hidrelétrico Brasileiro O potencial hidrelétrico brasileiro é estimado em cerca de 248 GW com 40,5% situados na Bacia Amazônica, seguida da bacia do Paraná com 23%, Tocantins com 10%, Uruguai 5%, Atlântico Leste 5%, e Atlântico Sudeste e Atlântico Norte/Nordeste somam 5%. (ANEEL, 2002). O país conta com uma participação da energia hidráulica em sua matriz energética na ordem de 14,7%, gerando cerca de 85,6% de toda a eletricidade produzida (ANEEL, 2008). A Tabela 1 mostra o potencial hidrelétrico brasileiro total e por bacia hidrográfica.
29
TABELA 1- Potencial Hidrelétrico Brasileiro por Bacia Hidrográfica – Dezembro 2011 (MW). Estágio/Bacia
Atlântico Atlântico Atlântico Rio Leste Norte/Nordeste Sudeste Amazonas
Rio Paraná
Rio São Rio Francisco Tocantins
Rio Uruguai
Totais por Estágio
Remanescente
767,4
525
983,06
17.584,46
3.665,90
694
1.779,60
11,7
26.011,12
Individualizado
678,4
181,7
1.090,00
19.017,33
2.706,22
866,98
128
404
25.072,63
706,7
2.073,06
36.601,79
6.372,12
1.560,98
1.907,60
415,7
51.083,75
Total Estimado 1.445,80 Inventário
5.619,97
1.047,65
1.579,78
34.518,41
8.787,90
7.439,31
7.421,86
4.017,68
70.432,56
Viabilidade
894,9
575
2.218,00
12.307,10
2.110,23
6.140,00
3.738,00
604,9
28.588,13
Projeto Básico
49,69 0 335,26
362,79 68,83 3.532,78
3.256,75 3.846,04 4.650,25
2.020,04 212,84 579,41 21 42.613,81 10.692,50
211,19 0 13.153,97
353,74 114,5 6.647,79
7.139,00
Construção Operação
671,96 396,7 4.965,43
5.026,48 86.591,78
Total Geral
13.994,76
2.714,30
9.835,24
95.180,34
62.483,51 26.066,63
26.432,62
12.154,31
248.861,73
Fonte: Site Eletrobrás, 2012.
30
3.6.2. Aproveitamento Hidráulico De acordo com Eletrobrás Furnas (2012), o potencial hidrelétrico é conseguido através da vazão hidráulica e dos desníveis existentes ao longo do curso do rio, sendo este desnível, natural (cachoeiras), proporcionado por uma barragem ou ainda desviando o rio de seu leito natural, quando isto acarretar em um desnível no rio. A usina hidrelétrica é um conjunto de equipamentos e obras que tem por finalidade a geração da energia elétrica através do potencial hidráulico existente em um rio. Sua estrutura é basicamente constituída por barragem, sistemas de captação e adução de água, casa de força e sistema de restituição de água ao leito natural do rio. Seu conjunto de obras e instalações pode ser visualizado na Figura 13.
3.6.2. Aproveitamento Hidráulico De acordo com Eletrobrás Furnas (2012), o potencial hidrelétrico é conseguido através da vazão hidráulica e dos desníveis existentes ao longo do curso do rio, sendo este desnível, natural (cachoeiras), proporcionado por uma barragem ou ainda desviando o rio de seu leito natural, quando isto acarretar em um desnível no rio. A usina hidrelétrica é um conjunto de equipamentos e obras que tem por finalidade a geração da energia elétrica através do potencial hidráulico existente em um rio. Sua estrutura é basicamente constituída por barragem, sistemas de captação e adução de água, casa de força e sistema de restituição de água ao leito natural do rio. Seu conjunto de obras e instalações pode ser visualizado na Figura 13.
FIGURA 13- Esquema de geração e distribuição de energia hidrelétrica. Fonte: ELETROBRÁS FURNAS, 2012.
Uma das principais vantagens da usina hidrelétrica é a transformação limpa do recurso energético natural, pois sua operação não deixa resíduos poluentes, e possui baixo custo de geração de energia. Além disso, quando há a construção da barragem para geração de 31
energia, o aproveitamento hidrelétrico proporciona outros usos, como: irrigação, navegação, amortecimento de cheia, entre outros. A principal desvantagem da usina hidrelétrica e o alagamento de grandes áreas para armazenamento da água, desvantagem esta que não é significativa na Micro Usina pois esta, no represamento da água, alaga pequenas porções de terra. Para ANEEL (2002), o aproveitamento hidráulico é feito através de turbinas hidráulicas acopladas à geradores de energia elétrica. Atualmente as turbinas hidráulicas são a forma mais eficiente de conversão de energia primária (hidráulica) em secundária (elétrica).
3.6.3. Classificação das Usinas Hidrelétricas Para Tiago Filho et al. (2010), as usinas hidrelétricas podem ser classificadas quanto a sua potência. Estas classificações estão listadas na Tabela 2: TABELA 2- Classificação das Hidrelétricas.
Potência (kW)
Classificação das hidrelétricas
Menor que 100
Microcentral
De 100 a 1.000
Minicentral
De 1.000 a 30.000
Pequenas Centrais
De 30.000 a 50.000
Médias Centrais
Acima de 50.000
Grandes Centrais
Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
Para Viana e Viana (2005), uma hidrelétrica que apresente uma potência inferior a 10 kW é considerada uma Pico Central Hidrelétrica, e a Micro central é aquela que apresenta potências de 10 a 100 kW.
3.6.4. A Micro Usina Hidrelétrica Segundo Alves et al. (2009), nas regiões rurais as Micro Usinas são importantes alternativas para o abastecimento de eletricidade às propriedades. São construídas aproveitando-se pequenos cursos d’água e caus am impactos ambientais mínimos. Em lugares
32
isolados a construção de linhas de transmissão pode ser mais cara do que a implantação de uma Micro Usina. 3.6.4.1.
Componentes de uma Micro Usina Hidrelétrica De acordo com Tiago Filho et al. (2010), uma Micro Usina é composta pelas
seguintes partes básicas:
Sistema de captação de água;
Sistema de tomada d’água;
Sistema de adução de água;
Câmara de carga;
Casa de máquinas; e
Linha de transmissão da energia até os pontos de consumo.
A Figura 14 mostra alguns destes componentes.
FIGURA 14- Representação dos componentes da Micro central. Fonte: MANUAL DE MICRO USINAS HIDRELÉTRICAS, 1985.
33
3.6.4.1.1.
Sistema de Captação de Águ a
É responsável pelo desvio da água de uma determinada fonte, em quantidade suficiente para movimentar a turbina da Micro Usina (TIAGO FILHO et al., 2010). 3.6.4.1.1.1.
Captação de água diretamente de rios
De acordo com Tiago Filho et al. (2010), para que a água seja captada diretamente de um rio, este rio precisa ser do tipo perene e não pode apresentar consideráveis variações durante o dia. Além disso, a vazão na estação de seca precisa ser suficiente para movimentar a turbina da Micro Usina. 3.6.4.1.1.2.
Captação de água de barragens
Quando há variações consideráveis do nível d’água do rio durante o di a, é necessário a construção de uma pequena barragem para manter a quantidade de água desviada para a turbina constante. Desta forma a principal função da barragem é estabilizar o nível de água quando este sofre demasiadas variações durante o dia. As barragens utilizadas para tal finalidade podem ser de vários tipos, como por exemplo: terra, alvenaria, pedra argamassada, madeira, entre outras. A escolha do tipo de barragem é feita em função dos tipos de materiais disponíveis, das características do local da obra e da disponibilidade de recursos. 3.6.4.1.2.
Sistema de tomada d’água
A tomada d’água é a parte responsável por fazer a transição entre o sistema de captação de água, sendo este o rio ou a barragem, e o sistema de adução da água. Este sistema é composto por grades, comportas, “stop logs” e desarenador. De acordo com Eletrobrás (2012), a tomada d’água deve ser uma estrutura que esteja localizada preferencialmente ao longo de trechos retos do curso d’água. Quando localizada em um trecho com curvas, a tomada d’água deve ser posicionada do lado côncavo, pois os 34
sedimentos transportados pela água se depositam na parte convexa, na maior parte dos escoamentos. Segundo Manual de Micro Centrais Hidrelétricas (1985), a tomada d’água pode ser ligada diretamente a tubulação forçada que leva a água até a turbina de geração de energia ou, dependendo da topografia, pode levar a água até um canal aberto de adução ou uma tubulação de baixa pressão, que descarregará a água em outra estrutura chamada câmara de carga. A tomada d’água tem duas funções: controle da vazão, que permitirá o esvaziamento do sistema de adução para manutenção e a retenção de sólidos através da grade. 3.6.4.1.2.1.
Grades
O fluxo de água pode trazer, principalmente em épocas de cheias, corpos flutuantes superficiais como galhos, troncos, folhas e até mesmo animais mortos para dentro da tomada d’água; assim para sua proteção, a tomada é dotada de uma grade que funciona como um sistema de proteção contra estas impurezas. De acordo com Tiago Filho et al. (2010), as grades podem ser construídas com hastes metálicas, do tipo galvanizado, ou de madeira de lei. O espaçamento entre as barras das grades deverá ser em torno de 2,0 cm. As grades devem ser instaladas de tal forma que se tenha um ângulo de 60° a 70° com a horizontal e considerando-se o sentido do fluxo da água. (Figura 15).
FIGURA 15- Detalhe da instalação das grades. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
Segundo Eletrobrás (2012) a manutenção das grades pode ser feita manualmente ou através de máquina limpa-grade. 35
3.6.4.1.2.2.
Comportas
Para Manual De Micro Centrais Hidrelétricas (1985), há dois tipos de comporta na tomada d’água: uma com função de manutenção, que quando completamente fechada possibilita a inspeção do trecho de captação da água e da tubulação forçada, e outra com a função de limpeza ou desarenação. A comporta de limpeza é menor que a de manutenção, porém suportará maior pressão da água sendo que a soleira do desarenador está próxima ao curso d’água. As comportas podem ser acionadas manualmente através de volante ou manivela. De acordo com Tiago Filho et al. (2010), uma das funções da comporta é a regulação da vazão de água que passa pelas turbinas, assim a turbina pode operar com maiores ou menores velocidades e consequentemente produzindo mais ou menos energia, de acordo com a necessidade. As comportas são construídas em chapas de aço, ou madeira, ou ferro fundido, e podem ser do tipo gaveta. Para a escolha do material da comporta deve ser levada em consideração a sua disponibilidade e a mão-de-obra existente próxima a Micro Usina. A recomendação é de que haja a preferência pelas comportas de aço equipadas com volante de acionamento. A representação de uma comporta pode ser observada na Figura 16.
FIGURA 16- Comporta para controle de vazão. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
36
3.6.4.1.2.3.
Stop logs
São as chamadas comportas de manutenção, utilizadas para permitir o esvaziamento da tomada d’água e do canal de adução, para manutenção e limpeza. São constituídos de pranchões de madeira, colocados um sobre o outro, presos por uma guia (Figura 17).
FIGURA 17- Representação do Stop logs. Fonte: Elaborado pelo autor, 2012. 3.6.4.1.2.4.
Desarenador
O desarenador tem a função de reter areia e outras partículas que estão em suspensão na água. É uma estrutura simples, consistindo em um alargamento do canal; o piso possui uma declividade de 20% e um desnível de 10 cm entre a entrada e a saída do desarenador. No seu extremo há uma comporta desarenador que é utilizada para a retirada das impurezas retidas no fundo. A Figura 18 mostra os detalhes do desarenador.
37
FIGURA 18- Detalhes do desarenador. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
3.6.4.1.3.
Sistema de Adução d’água
A adução da água é a condução da água desde a tomada d’água até a casa de máquinas. Este sistema pode ser uma tubulação forçada ou um canal aberto, e tem a função de ligar a tomada d’água à câmara de carga. 3.6.4.1.3.1.
Tubulação Forçada
A tubulação forçada como sist ema de adução d’água é utilizada quando a topografia do terreno é plana; assim a água será conduzida diretamente da tomada d’água até a casa de máquinas. A Figura 19 mostra a representação da Micro central com sistema de adução d’água por tubulação forçada.
38
FIGURA 19- Sistema de adução d’água por tubulação forçada. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010. 3.6.4.1.3.2.
Canal de Adução
O canal de adução é recomendado para locais com topografia irregular. Deve ser construído em curva de nível, podendo ser revestido ou não. A Figura 20 mostra a representação da Micro central com sistema de adução d’água por canal aberto.
FIGURA 20- Sistema de adução d’água por canal aberto. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
De acordo com Manual de Micro Centrais Hidrelétricas (1985), o canal deve apresentar uma declividade pequena e sem variações, sendo esta em torno de 0,4 : 1000. 39
Segundo Tiago Filho et al. (2010) a velocidade da água dentro do canal vai depender do tipo de revestimento. Ao longo do canal pode haver grades e comportas para garantir a qualidade da água que chega à turbina. Próximo à câmara de carga deve ser construído um extravasor (Figura 21) com a função de escoar possíveis excessos de água que podem ocorrer em épocas de chuvas ou em situações em que a turbina é desligada.
FIGURA 21- Extravasor de água no canal de adução. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
3.6.4.1.4.
Câmar a de Carga
Segundo Eletrobrás (2012), câmara de carga é uma estrutura utilizada quando o sistema de adução de água for um canal aberto; é um elemento de transição entre o canal de adução e a tubulação forçada que levará água até a turbina. Consiste em uma caixa de alvenaria ou de concreto. De acordo com Manual De Micro Centrais Hidrelétricas (1985), a câmara de carga deverá possuir um desarenador, grade e uma comporta para facilitar a manutenção. A borda superior da câmara deve ficar a aproximadamente 0,3 m acima do nível da água do reservatório. Os aspectos construtivos da câmara de carga assim como os seus componentes são iguais aos da tomada d’água, conforme a Figura 22.
40
FIGURA 22- Detalhes da câmara de carga. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
3.6.4.1.5.
Tubu lação F or çada
A tubulação forçada é um sistema de conduto fechado que conduz a água da câmara de carga até a turbina, devido ao desnível entre estes dois componentes (Figura 23). Esta tubulação deve ser preferencialmente de aço, ferro fundido ou concreto armado por ficar submetida a uma maior pressão.
FIGURA 23- Tubulação Forçada. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
41
A velocidade que passa pela tubulação deve ser analisada e controlada. Em Micro Usinas, a velocidade máxima admissível para a tubulação de aço e ferro fundido é de 5,0 m/s, e para o concreto é de 3,0 m/s. No final da tubulação forçada, uma válvula de gaveta ou do tipo borboleta deve ser instalada para que o fluxo de água seja interrompido em casos de manutenção da turbina ou de outro componente da casa de máquinas. O tipo de assentamento da tubulação depende do material a ser utilizado. Para tubulação de concreto, uma vala deve ser escavada no solo; para tubulação de aço é necessário a construção de blocos de apoio para que a tubulação fique suspensa. O dimensionamento dos blocos é feito em função do diâmetro, espessura da parede, inclinação do solo e tamanho do tubo. A distância mínima entre o fundo do tubo e a superfície do terreno é de 30 cm. Além dos blocos de apoio é preciso ser feita também a instalação de blocos de ancoragem, com a finalidade de manter a estrutura estável com a absorção do peso da tubulação e da água. Estes blocos devem ser construídos em pontos de mudança de direção da tubulação, imediatamente depois da câmara de carga e imediatamente antes da casa de máquinas e devem ter um espaçamento máximo de 80 metros em longos trechos retos da tubulação. Também são utilizadas juntas de dilatação para minimizar os efeitos da dilatação. Estes elementos podem ser vistos na Figura 24.
FIGURA 24- Representação dos blocos de apoio, ancoragem e juntas de expansão. Fonte: MANUAL DE MICRO USINAS HIDRELÉTRICAS, 1985. 42
Quando a tubulação forçada for aérea há a necessidade de se manter o solo embaixo e nos arredores da tubulação limpo garantindo maior vida útil do sistema. 3.6.4.1.6.
Casa de M áquinas
Segundo Manual De Micro Centrais Hidrelétricas (1985), a casa de máquinas é a edificação responsável por abrigar os componentes geradores de energia elétrica, assim como os equipamentos auxiliares necessários para o perfeito funcionamento da Micro Usina (Figura 25). Sua localização deve atentar para a cota do piso, a fim de evitar que a casa de máquinas seja atingida pela cheia do rio. De acordo com Eletrobrás (2012), o dimensionamento da casa de máquinas deve ser feito em função do tipo de turbina e do gerador além dos outros componentes. A estabilidade da estrutura deve ser verificada em função dos carregamentos. Para Tiago Filho et al. (2010), os componentes da casa de máquinas necessários para a geração de energia elétrica são a turbina, o gerador, o sistema de controle de tensão e de frequência, o volante de inércia e o painel de controle.
FIGURA 25- Casa de máquinas. Fonte: MANUAL DE MICRO CENTRAIS HIDRELÉTRICAS, 1985. 43
3.6.4.1.6.1.
Turbina
Segundo Manual De Micro Centrais Hidrelétricas (1985) a turbina é o componente mais importante do sistema; tem a responsabilidade de transformar a energia hidráulica em energia mecânica que é utilizada para acionar o gerador, através do giro do seu eixo (Figura 26). É constituída basicamente, pela caixa espiral (parte externa) e um rotor equipado com pás (parte interna). Sua escolha leva em consideração a altura de queda, a vazão, o rendimento do conjunto, o custo de instalação e de manutenção e as facilidades por assistência técnica. As turbinas mais utilizadas em micro centrais rurais são a Francis, a Pelton, a Michel Banki e hélice (TIAGO FILHO et al., 2010). 3.6.4.1.6.2.
Gerador
O gerador é a máquina responsável por converter a energia mecânica fornecida pela turbina em energia elétrica (Figura 26). Pode ser acionado diretamente por meio de um eixo, ou indiretamente por meio de polias e correias. O tipo de acionamento é escolhido de forma a compatibilizar a rotação da turbina com a rotação do gerador.
FIGURA 26- Representação da turbina e do gerador. Fonte: TRANSMISSÃO, 2001.
44
Para a escolha do gerador é preciso conhecer a rotação em que a turbina irá trabalhar. Os geradores são padronizados em função da rotação e do número de polos. Na Micro Usina podem ser utilizados tanto geradores monofásicos quanto trifásicos. Os trifásicos cobrem uma maior faixa de potência e permitem a utilização de motores trifásicos (o mais comum é o motor trifásico de indução com rotor de gaiola de esquilo), que possuem um custo mais baixo, maior rendimento e menor índice de defeitos que os motores monofásicos. De acordo com Manual De Micro Centrais Hidrelétricas (1985), o neutro do gerador e o quadro de comando devem ser aterrados com haste de cobre com cerca de 3 metros de comprimento e 16 milímetros de diâmetro. 3.6.4.1.6.3.
Sistema de Controle de Tensão e de Frequência
Para Tiago Filho et al. (2010), a constância da tensão e da frequência elétrica de geração são a garantia de uma energia elétrica de qualidade. Esta constância é conseguida quando a rotação do rotor se mantem constante na rotação nominal especificada pelo fabricante, mesmo quando a demanda de energia apresenta grandes oscilações. Este controle é conseguido através de um dispositivo que pode ser um regulador hidráulico ou um controlador eletrônico. O regulador hidráulico é um dispositivo automático instalado no interior da caixa da turbina e tem a função de abrir o distribuidor de água quando há uma queda de rotação decorrente de maior consumo, assim uma maior quantidade de água entra na turbina mantendo a rotação nominal. Quando há uma redução de consumo, a rotação aumenta e o regulador reduz a entrada de água para manter uma rotação constante (Figura 27).
45
FIGURA 27- Regulador hidráulico. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
O controlador eletrônico é um elemento formado por componentes eletrônicos e elétricos localizados em um quadro no interior da casa de máquinas. Com este dispositivo a Micro Usina pode operar em plena carga e quando apenas parte da potência estiver sendo consumida o excedente será dissipado em forma de calor por este sistema (Figura 28).
FIGURA 28- Controlador Eletrônico. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
46
3.6.4.1.6.4.
Volante de Inércia
O volante de inércia é um disco com massa relativamente grande, instalado no eixo da turbina com a função de absorver a energia cinética resistindo a mudanças bruscas de velocidade, assim diminuindo a variação de rotação da turbina (Figura 29).
FIGURA 29- Volante de Inércia. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
Quando a transmissão da turbina para o gerador for feita diretamente, o volante será acoplado ao eixo, e quando a transmissão for indireta, as polias devem ser dimensionadas para servir também como volante de inércia. 3.6.4.1.6.5.
Painel de Controle
O painel de controle (Figura 30) permite o controle visual do funcionamento da Micro Usina; possui um conjunto de instrumentos indicadores como:
Frequencímetro: Serve para a verificação de variações da frequência elétrica;
Amperímetros: Indica a corrente elétrica que está fluindo em cada fase;
Voltímetro: Indica com que tensão elétrica a energia está sendo fornecida à
Disjuntor termomagnético: Tem a função de proteger o sistema contra
rede; sobrecargas; 47
Fusíveis: Oferece proteção contra curto circuito;
Relé térmico: Oferece proteção contra sobrecargas.
FIGURA 30- Painel de Controle. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
3.6.4.1.7.
Canal de F uga
De acordo com Manual De Micro Centrais Hidrelétricas (1985), o canal de fuga é a estrutura responsável pela condução da água ao rio após a passagem pela turbina. Na saída da turbina, a água pode apresentar uma elevada velocidade e, assim, causar erosões no fundo e nas paredes do canal. Quando a casa de máquinas é construída longe do rio em terreno mais alto, é necessária a instalação de uma soleira afogadora (Figura 31) na saída do tubo de sucção. A soleira tem como função afogar a boca do tubo de sucção com a criação de um nível de água mais alto que o nível natural do rio.
48
FIGURA 31- Soleira afogada. Fonte: MANUAL DE MICRO CENTRAIS HIDRELÉTRICAS, 1985.
Segundo Eletrobrás (2012), o escoamento ao longo do canal de fuga não pode ultrapassar 2 m/s e deve apresentar escoamento laminar. Para canais com superfície livre, a largura é comumente variável ao longo do seu comprimento. A largura inicial deverá ser igual à largura da casa de máquinas. O comprimento será, também, variável, em função da distância entre a casa de máquinas e o rio. 3.6.4.1.8.
L inha de Tr ansmi ssão
De acordo com Tiago Filho et al. (2010), a linha de transmissão tem a função de conduzir a energia elétrica gerada pela Micro Usina até os pontos onde será consumida. Utilizam-se, normalmente, redes áreas, formadas por condutores elétricos de alumínio com poste de concreto armado ou de madeira de lei ou tratada. A energia elétrica gerada pode ser utilizada para atender a um único ponto de consumo ou para atender vários pontos de consumo. Para o atendimento de mais de um ponto de consumo é necessário a distribuição elétrica através de um centro de distribuição de circuitos (Figura 32), que deverá ser instalado no centro de carga. Assim, a energia vai da Micro Usina até o centro de distribuição de circuitos e só então, através de circuitos individuais é conduzida até o ponto de consumo. 49
FIGURA 32- Centro de distribuição de circuitos. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
O centro de carga é a posição geográfica de menor distância entre os pontos de consumo, levando em consideração a potência de cada um destes pontos. Locado corretamente diminui os gastos com a distribuição elétrica e viabiliza a operação de cargas previstas. Para localizar o centro de carga usa-se o mapa da propriedade, locando-se ali todas as cargas em um sistema cartesiano cujos eixos tangenciem pontos de referência (ou, se possível, as divisas da propriedade). Para a condução da energia elétrica até os pontos de consumo são utilizados condutores elétricos que devem ser dimensionados em função das correntes elétricas que fluem em cada trecho do sistema e a queda de tensão permitida pela norma brasileira ABNT NBR 5410 (2004). A transmissão pode ser feita em baixa ou alta tensão, para esta escolha é preciso que se realize uma análise técnica e econômica. Quando a alta tensão for a escolhida é necessário a instalação de uma subestação elevadora de tensão o mais próximo possível da casa de máquinas. Essa subestação é constituída por um transformador que recebe a energia elétrica do gerador, em baixa tensão e a transforma em alta tensão. Se o sistema é trifásico a energia se elevará para 13.800 volts, e se for monofásico a energia se elevará para 7.900 volts. Ao chegar perto do centro de distribuição a energia será transformada em tensão de consumo através de uma subestação abaixadora de tensão. Todo o sistema elétrico deve ser aterrado para que haja segurança contra acidentes por choque e para que possa funcionar com eficiência. Além disso, a rede elétrica deve 50
possuir equipamentos contra descargas atmosféricas (raios), e estes equipamentos devem ser conectados a um condutor de aterramento (FIGURA 33).
FIGURA 33- Detalhe do aterramento do sistema elétrico. Fonte: TIAGO FILHO et al., 2010.
3.7.
IRRIGAÇÃO Segundo Bernardo et al. (2006), a irrigação é uma técnica milenar que vem se
desenvolvendo cada vez mais nos últimos anos. Algumas civilizações antigas se desenvolveram em regiões onde a produção só era possível através da irrigação, assim a irrigação foi e é até hoje um símbolo de riqueza, prosperidade e segurança. Grandes civilizações que se localizavam as margens de rios como o Nilo, Tigre e Eufrates, eram civilizações que utilizavam seus recursos hídricos sem a necessidade de irrigar, porém com a expansão das populações e exploração de outras áreas, a irrigação teve seu papel fundamental no desenvolvimento destes povos. Antigamente a irrigação era apenas uma técnica que visava basicamente a luta contra a seca, hoje é uma estratégia para elevar a rentabilidade da propriedade agrícola por meio do aumento da produção e produtividade, de forma sustentável. Assim o futuro da irrigação envolve produtividade e rentabilidade com eficiência no uso da água, energia, insumos e respeito ao meio ambiente. De acordo com Gomes (1994), a irrigação é uma prática que fornece água para as plantas para suprir suas necessidades hídricas, quando outra forma natural de suprimento de água não é suficiente. 51
A irrigação pode ser divida em duas categorias: irrigação por superfície ou por gravidade (Figura 34) e irrigação sob pressão ou pressurizada (Figura 35). Na irrigação por superfície a água é levada até a planta através de sulcos, faixas e inundações. Na irrigação sob pressão a água é levada até a planta através de condutos forçados, impulsionada na maioria das vezes por uma estação de bombeamento e distribuída na área a ser irrigada através de aspersores e gotejadores.
FIGURA 34- Irrigação por superfície. Fonte: PINTO et al., 2007.
FIGURA 35- Irrigação sob pressão. Fonte: LOPES, 2012. 52
Em comparação com a irrigação sob pressão, a irrigação por superfície apresenta economia de energia como vantagem, no entanto se limita a áreas que apresentem uma topografia favorável. A irrigação sob pressão é mais eficiente, se adequa melhor as características do local a ser irrigado, apresenta uma maior uniformidade de distribuição de água no terreno e necessita de menos mão-de-obra.
53
4.
MATERIAL E MÉTODOS
4.1.
DADOS DO PROJETO A barragem foi dimensionada para irrigar uma área de 50 hectares e
concomitantemente gerar energia elétrica para uma propriedade. A barragem se localiza na fazenda Rio dos Bois em Silvânia, Goiás, na micro bacia do Córrego Poções que por sua vez está inserida na bacia do Córrego dos Bois. A localização da fazenda pode ser vista na Figura 36.
Silvânia Fazenda Rio dos Bois
FIGURA 36 - Mapa de localização da Fazenda Rio dos Bois. Fonte: GOOGLE MAPS, adaptada pelo autor, 2012.
A área de drenagem da micro bacia, a montante da barragem (Figura 37), é de 20,7 km² com um perímetro de aproximadamente 19,4 km, o tipo de solo predominante é areno argiloso, a declividade média é de 13% e a vegetação é constituída por: cerrado (40%), pastagens (40%) e culturas anuais (20%). O Córrego Poções apresenta, dentro da micro bacia, uma extensão de 6.458 metros e um declive médio de 2,0 %. Os dados fluviométricos foram obtidos na estação fluviométrica da Fazenda Rio dos Bois, no município de Silvânia, Goiás, para o Córrego dos Bois, totalizando nove anos de medições diárias. 54
FIGURA 37 - Micro bacia do Córrego Poções. Fonte: GOOGLE EARTH, adaptada pelo autor, 2012.
A fazenda tem uma área total de 1.580 hectares, onde: 60% é destinada para cultivo de grãos, 20% é destinada para pastagens e 20% para demais atividades, instalações e reservas (Figura 38). É composta por uma casa sede, uma casa de funcionários e um galpão de máquinas. A irrigação é do tipo aspersão convencional operada por um conjunto moto bomba com potência de 30 cv, uma demanda de 30 m³/h de água e tempo de irrigação de 12 horas diárias.
55
FIGURA 38 - Croqui da Planta da Fazenda Rio dos Bois. Fonte: GOOGLE EARTH, adaptada pelo autor, 2012.
Para este trabalho serão dimensionados:
4.2.
A barragem de terra e suas estruturas hidráulicas;
As obras civis da Micro Usina, e;
A turbina e o gerador da Micro Usina.
PRODUÇÃO HÍDRICA DA MICRO BACIA A vazão de outorga, ou seja, a vazão concedida para uso, no estado de Goiás, de
acordo com a Secretaria de Meio Ambiente e Recursos Hídricos – SEMARH no Art. 12, Capítulo II da Resolução 09/2005, é a vazão com garantia de permanência em 95% do tempo (Q95), considerando a bacia de contribuição a partir do ponto de captação da água. Sendo a vazão de demanda maior que a vazão de outorga houve a necessidade de se construir a barragem. Para a estimativa das vazões diárias da Micro Bacia do Córrego Poções foi realizada a translação de dados da Bacia do Córrego dos Bois, pela inexistência de dados de vazão do Córrego Poções, de acordo com Carvalho (2008), utilizando as Equações 1 e 2:
(1) 56
(2)
Em que: Q E = Vazão específica, L s -1 km²; Q BM = Vazão média da bacia maior, L s
-1
;
A BM = Área da bacia maior, km²; Q B = Vazão da bacia em estudo, L s
-1
;
A B = Área da bacia em estudo, km².
Com as vazões diárias da Micro Bacia, foram encontradas as vazões mínimas, médias e máximas mensais, durante os nove anos de medições; estas vazões podem ser observadas no Apêndice A. A partir das vazões mensais, foram encontradas as vazões específicas mensais mínimas, médias e máximas utilizando-se a Equação 1; estas vazões podem ser observadas no Apêndice B. Os dados podem ser expandidos a partir da probabilidade estocástica, que consiste em atribuir probabilidades a eventos futuros relacionados com a disponibilidade de recursos hídricos, como por exemplo, grandes cheias ou secas severas, para uma maior segurança no dimensionamento da barragem. Para o cálculo da Q 95, foram utilizadas as vazões mínimas mensais, pois segundo a SEMARH a Q95 é a menor vazão com permanência de 95% do tempo, transpostas da estação fluviométrica da Fazenda Rio dos Bois da seguinte forma:
As vazões mínimas foram colocadas em ordem decrescente;
Cada uma das vazões recebeu um índice de ordem (n);
A cada ordem está associada uma frequência, dada por
, onde
N é o número total de vazões. A frequência indica a chance de a vazão ser igualada ou superada em um ano qualquer;
E por fim determinou-se o tempo de retorno que é o inverso da frequência,
. O tempo de retorno indica em quantos anos a vazão pode recorrer. A Q95 foi a vazão que apresentou uma frequência de 95%; esta vazão foi de 0,13 m³/s. 57
O comportamento hidrológico do Córrego Poções foi determinado através da curva de permanência de vazão, elaborada a partir de séries históricas de vazões mínimas, médias e máximas e da frequência das vazões. As curvas indicam a porcentagem de tempo em que um determinado valor de vazão foi igualado ou superado durante o período de observação. A curva de permanência pode ser visualizada na Figura 39. Curva de Permanência 4,00 3,50 3,00
s / ³ 2,50 m s 2,00 e õ z a 1,50 V
Vazão Mínima Vazão Média Vazão Máxima
1,00 0,50 0,00 % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 1 6 1 7 2 7 2 8 3 8 3 8 4 9 4 9 4 0 5 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 9 9
Frequência FIGURA 39 - Curva de Permanência. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
De acordo com Cruz (2009), as inclinações acentuadas nos extremos da curva indicam uma baixa capacidade de regularização das vazões. Segundo Carvalho (2008), é preciso garantir uma vazão mínima à jusante da barragem; esta vazão é chamada de vazão ecológica. Para esta vazão foi considerada uma vazão que corresponda a 70% da Q 7, 10. A Q7, 10 é a vazão mínima com um tempo de recorrência de 10 anos e período mínimo de 7 dias. Tal pode ser entendida como o valor que pode se repetir, probabilisticamente, a cada 10 anos, compreendendo a menor média obtida em 7 dias consecutivos. Assim, em cada ano da série histórica prossegue-se a análise das 365 vazões diárias. Selecionou-se, em cada ano, o período de 7 dias consecutivos que resultou na menor média de vazão (média de 7 valores).
58
Para o cálculo da Q 7, 10 foram utilizadas as menores vazões, por se tratar da vazão mínima com um tempo de recorrência de 10 anos, de cada ano da seguinte forma:
As vazões mínimas foram colocadas em ordem crescente;
Cada uma das vazões recebeu um índice de ordem (n);
A cada ordem está associada uma frequência dada por
; Determinou-se o tempo de retorno que é o inverso da frequência, .
A Q 7, 10 foi a vazão que apresentou um tempo de retorno de 10 anos, esta vazão foi de 0,12 m³/s. 4.3.
DEMANDA DA FAZENDA A fazenda é composta por quatro centros de consumo de energia elétrica, sendo: a
casa sede, uma casa de funcionário, um galpão de máquinas e um sistema de irrigação. A Figura 40 demostra a localização de cada um. Casa Sede
Casa Funcionário
Galpão de Máquinas
Casa de Bomba Irrigação
FIGURA 40 - Planta dos Centros de Consumo da Fazenda Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
A demanda elétrica da fazenda foi calculada através do levantamento de cargas e equipamentos. Para o cálculo da demanda provável da casa sede e da casa de funcionário foram utilizadas as Tabelas 2 e 3 da NTC 04 da Celg. Estas tabelas podem ser encontradas no Anexo 1. 59
Para o cálculo da demanda dos equipamentos do Galpão de Máquinas e irrigação foram utilizadas as potências elétricas de cada equipamento. A Tabela 3 mostra o levantamento de cargas de cada setor da propriedade. TABELA 3 - Levantamento de cargas por setor.
Setor 1
Casa Sede
2
Casa Funcionário
3
Galpão de Máquinas
4
Sistema de Irrigação
Cargas Iluminação e TUG Chuveiro Elétrico Iluminação e TUG Chuveiro Elétrico Iluminação Aparelho de Solda Motoesmeril Motobomba
Potência (kW) 7,50 8,80 2,10 4,40 0,50 7,09 3,07 26,6
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
Com o conhecimento das cargas, foi realizada a distribuição horária dos usos das cargas e assim resultou a demanda total, em cada horário. Com a demanda total por hora obteve-se a demanda máxima da propriedade. Para a demanda das residências foi utilizada a demanda provável para todas as horas. A Tabela 4 mostra a demanda por hora da propriedade.
60
TABELA 4 - Demanda da propriedade por hora (kW).
Horas
Casa Sede
Casa Funcionário
Galpão de Máquinas
Irrigação
Total
0 – 1 1 – 2 2 – 3 3 – 4 4 – 5 5 – 6 6 – 7 7 – 8 8 – 9 9 – 10 10 – 11 11 – 12 12 – 13 13 – 14 14 – 15 15 – 16 16 – 17 17 – 18 18 – 19 20 – 21 21 – 22 22 – 23 23 – 0
10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39 10,39
6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08 6,08
0,50 0,50 0,50 0,50 0,50
26,60 26,60 26,60 26,60 26,60
43,57 43,57 43,57 43,57 43,57 16,47 23,56 23,56 19,54 19,54 16,47 16,47 16,47 16,47 16,47 16,47 16,47 43,07 43,57 43,57 43,57 43,57 43,57
7,09 7,09 3,07 3,07
0,50 0,50 0,50 0,50 0,50
26,60 26,60 26,60 26,60 26,60 26,60
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
A demanda total por hora foi a soma das demandas de cada setor, e a demanda máxima foi de 43,57 kW. A Figura 41 mostra o gráfico de demanda da propriedade.
61
45,00
40,00
) 35,00 W k ( a d30,00 n a m e D25,00
20,00
15,00 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Horas do dia
FIGURA 41 - Gráfico de Demanda da Propriedade Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
4.4.
BALANÇO HÍDRICO De acordo com Carvalho (2008), o dimensionamento da barragem baseia-se na
quantidade de água mínima necessária para suprir a demanda hídrica durante o período de maior escassez. Desta forma é preciso realizar o balanço hídrico da bacia para se determinar o volume de água que o reservatório precisa armazenar. Os dados necessários para a determinação do balanço hídrico foram:
A vazão específica média mensal;
A vazão média do curso d’água;
A vazão ecológica;
A vazão necessária para a irrigação;
A vazão necessária para a Micro Usina;
A partir destes dados foi possível calcular o volume total de água mensal de entrada no reservatório pela Equação 3:
(3) 62
Em que: V To = Volume de água de entrada, (m³); Q M = Vazão média mensal, (m³/h) D = Número de dias do mês.
A seguir foi calculado o volume de água mensal de saída do reservatório pela Equação 4:
(4)
Em que: V Do = Volume de água de saída, (m³); Q EC = Vazão ecológica, (m³/h); D = Número de dias do mês; Q I = Vazão de irrigação, (m³/h); T I = Tempo de irrigação diário, (h); Q MC = Vazão de
acionamento da turbina hidráulica, (m³/h).
Conhecendo-se o volume de entrada e de saída mensal do reservatório, foi possível fazer o balanço hídrico através da Equação 5:
(5)
O balanço hídrico indica quais os meses sofrem déficit ou superávit, ou seja, quais os meses que para a demanda de água a vazão do curso d’água consegue suprir as necessidades hídricas e quais aqueles que não conseguem suprir tais necessidades. A partir daí foi possível calcular qual o volume mínimo de água que o reservatório precisa garantir. Este volume é o maior déficit acumulado que o balanço hídrico apresentar.
63
4.5. DIMENSIONAMENTO DA BARRAGEM O dimensionamento da barragem foi feito de acordo com a metodologia proposta por Carvalho (2008). A altura da barragem foi dada em função do volume de água mínimo a ser armazenado, encontrado pelo balanço hídrico da micro bacia. As curvas de nível, de metro em metro, da bacia de acumulação podem ser observadas na Figura 42.
FIGURA 42 - Curvas de Nível da Bacia de Acumulação Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
De acordo com a área entre as curvas de nível foi possível encontrar o volume de água acumulado entre elas e definir em qual cota este volume se igualaria ou superaria o volume mínimo do reservatório. A altura normal da barragem foi determinada pela diferença da cota do nível da água (917) e a cota de fundo da barragem (907). As cotas, áreas e volumes podem ser observadas na Tabela 5.
64
TABELA 5 - Cotas, Áreas e Volumes do Reservatório.
COTA (m)
ÁREA (m²)
VOLUME (m³)
907 908 909 910 911 912 913 914 915 916 917 918 919 920 921 922
25.875 34.977 73.304 87.588 130.588 176.858 228.958 254.676 286.406 350.764 386.758 402.093 476.231 522.452 584.926 632.159
0 30.426 54.141 80.446 109.088 153.723 202.908 241.817 270.541 318.585 368.761 394.426 439.342 499.342 553.689 608.543
VOLUME ACUMULADO (m³) 0 30.426 84.567 165.013 274.101 427.824 630.732 872.549 1.143.090 1.461.675 1.830.436 2.224.861 2.664.023 3.163.365 3.717.054 4.325.596
VOLUME ÚTIL (m³) 0 0 54.141 134.587 243.675 397.398 600.306 842.123 1.112.664 1.431.249 1.800.010 2.194.435 2.633.597 3.132.939 3.686.628 4.295.170
Fonte: Elaborado pelo autor, 2012.
A cota da tomada d’água para a irrigação fica em 908 m, desta forma o volume útil do reservatório é volume disponível entre a cota de nível normal da barragem e a cota da tomada d’água. Para este traba lho o volume útil foi de 1.800.010 m³ de água. A tomada d’água da Micro Usina por ser um canal aberto fica na cota 916,53 m, porém para o cálculo do volume útil a vazão da Micro Usina também foi considerada; desta forma o volume de 1.800.010 m³ supre a demanda da irrigação e da Micro Usina. De acordo com as Tabelas 6 e 7 foram consideradas uma folga de 1,0 metro e altura do extravasor de 1,0 metros. TABELA 6 - Valores mínimos de folga em função da extensão do espelho d'água e da profundidade da água junto à barragem (m).
Profundidade (m) até 6,0 6,1 a 9,0
0,2 0,75 0,85
0,5 0,8 0,9
Extensão do espelho d'água (km) 1 2 3 4 0,85 0,95 1,05 1,15 0,95 1,05 1,15 1,25
5 1,25 1,35
Fonte: CARVALHO, 2008.
65
TABELA 7 - Sugestões de altura do extravasor em função da altura da barragem (m).
Altura da barragem (m) Até 5 Entre 5 e 10
Altura do extravasor (m) de 0,7 a 0,8 de 0,8 a 1,5
Fonte: LOPES e LIMA, 2008.
A cota da crista da barragem foi obtida a partir da soma da cota de fundo do reservatório com a altura total da barragem, e sua largura definida em função da inclinação dos taludes de montante e jusante e da passagem ou não de veículos sobre ela. As inclinações dos taludes foram determinadas de acordo com a Tabela 8. TABELA 8 - Inclinação dos taludes em função do tipo de material usado e da altura do aterro.
Material do aterro Solo argiloso Solo arenoso Areias e cascalhos Pedras de mão
Altura do aterros Até 5 metros De 5,1 a 10 metros Montante Jusante Montante Jusante 2 1,75 2,75 2,25 2,25 2 3 2,25 2,75 2,25 3 2,5 1,35 1,3 1,5 1,4
Fonte: CARVALHO, 2008.
A largura da seção transversal da barragem, na cota mais baixa foi obtida pela Equação 6:
(6)
Em que: B = Largura da base, (m); c = Largura da crista da barragem (m); Z 1 = Inclinação do talude de montante; Z 2 = Inclinação do talude de jusante; H = Altura total da
barragem, (m).
4.5.1. Volume de Amortecimento Considerando uma altura do nível de água no extravasor de 1,0 m acima do nível normal do reservatório, chegando a cota de 918, a barragem acumulará um volume de água 66
que é chamado de volume de amortecimento de cheia. Este volume é dado pela diferença entre o volume armazenado na cota 918 (cota do nível máximo) e o volume acumulado na cota 917 (cota do nível normal). O gráfico da relação cota x volume acumulado, pode ser visto na Figura 43.
4.500.000 4.000.000 3.500.000
) ³ m ( 3.000.000 o d a l u2.500.000 m u c 2.000.000 A e m u1.500.000 l o V 1.000.000 500.000 0 907 908 909 910 911 912 913 914 915 916 917 918 919 920 921 922
Cota (m)
FIGURA 43 - Relação Cota x Volume Acumulado. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
4.5.2. Vazão Máxima Para a determinação da vazão máxima foram feitos os cálculos do tempo de concentração da Micro Bacia do Córrego Poções e da intensidade de precipitação daquela região. O tempo de concentração foi estimado segundo a equação de Ven Te Chow (Equação 7), indicada para bacias com área inferior a 2.500 hectares (25 km²).
(√ )
(7)
67
Em que: t c = Tempo de L =
concentração, (min);
Comprimento do talvegue (curso d’água principal), (km);
S o = Declividade média do talvegue, (m.m
-1
).
A intensidade de precipitação foi estimada de acordo com as grandezas intensidade, duração e frequência da precipitação de acordo com a Equação 8:
(8)
Em que: i=
Intensidade de precipitação, (mm.h -1);
T = Tempo de retorno, (anos); t = Tempo de duração da precipitação, (min); k, a, b, c = Parâmetros da equação.
O tempo de retorno indicado para pequenas barragens de terra é de 50 a 100 anos; neste projeto foi utilizado um tempo de retorno de 100 anos para garantir uma maior segurança para o empreendimento. O tempo de duração de precipitação é igual ao tempo de concentração da bacia e os parâmetros da equação (intensidade-duração-frequência) utilizados foram para a cidade de Bela Vista de Goiás, Goiás, de acordo com Oliveira et al. (2005), estes valores são:
k = 985,145;
a = 0,1165;
b = 12;
c = 0,7601.
A vazão máxima ou vazão de projeto foi estimada através do Método Racional (Equação 9) por ser bastante utilizado em estudos hidrológicos, é um método simples e os elementos envolvidos são de fácil obtenção.
(9) 68
Em que: Q =
Vazão máxima de escoamento superficial, (m³.s -1);
C =
Coeficiente de escoamento superficial;
i = Intensidade de precipitação, (mm.h
-1
);
A = Área da bacia de contribuição, (ha).
O Coeficiente de escoamento superficial foi dado pela Tabela 9.
69
TABELA 9 - Valores do coeficiente de escoamento superficial (C). Cobertura Tipo de solo do solo Culturas anuais Cultura permanente Pastagens limpas Capoeiras Matas
Massapé Arenoso Roxo Massapé Arenoso Roxo Massapé Arenoso Roxo Massapé Arenoso Roxo Massapé Arenoso Roxo
Plana 0 2,5% 0,5 0,44 0,4 0,4 0,34 0,31 0,31 0,27 0,25 0,22 0,19 0,17 0,15 0,13 0,12
Classes de Topografia e declividade Suavemente Fortemente Ondulada 5 ondulada 2,5 Ondulada 10 10% 5% 20% 0,6 0,68 0,76 0,52 0,59 0,66 0,48 0,54 0,61 0,48 0,54 0,61 0,41 0,46 0,52 0,38 0,43 0,48 0,38 0,43 0,48 0,32 0,37 0,41 0,3 0,34 0,38 0,26 0,29 0,33 0,23 0,25 0,28 0,21 0,23 0,26 0,18 0,2 0,22 0,15 0,18 0,2 0,14 0,16 0,18
Amorrada 20 - 40%
Montanhosa 40 - 100%
0,85 0,73 0,67 0,67 0,56 0,53 0,53 0,45 0,42 0,37 0,32 0,29 0,25 0,22 0,2
0,95 0,81 0,75 0,75 0,64 0,59 0,59 0,5 0,46 0,41 0,35 0,32 0,28 0,24 0,22
Fonte: CARVALHO, 2008.
70
Sendo a cobertura do solo da bacia composta de cerrado (40%), pastagens (40%) e culturas anuais (20%), o tipo de solo areno argiloso e a declividade fortemente ondulada (13%), o coeficiente C encontrado para pastagens foi de 0,41, para culturas anuais de 0,66 e cerrado de 0,28. Com os valores encontrados para cada tipo de cobertura, o coeficiente de escoamento superficial da bacia foi obtido através da soma dos coeficientes de cada tipo de cobertura multiplicado pela porcentagem que cada tipo de cobertura representa na área da bacia; assim o resultado encontrado para C foi de 0,41.
4.5.3. Sistema Extravasor O sistema extravasor foi um canal retangular revestido por concreto tendo seu escoamento desaguando em uma bacia de dissipação de energia do tipo escada de dissipação. O canal foi dimensionado em função da vazão máxima escoada pelo extravasor. A vazão máxima foi calculada pela Equação 10:
Sendo a cobertura do solo da bacia composta de cerrado (40%), pastagens (40%) e culturas anuais (20%), o tipo de solo areno argiloso e a declividade fortemente ondulada (13%), o coeficiente C encontrado para pastagens foi de 0,41, para culturas anuais de 0,66 e cerrado de 0,28. Com os valores encontrados para cada tipo de cobertura, o coeficiente de escoamento superficial da bacia foi obtido através da soma dos coeficientes de cada tipo de cobertura multiplicado pela porcentagem que cada tipo de cobertura representa na área da bacia; assim o resultado encontrado para C foi de 0,41.
4.5.3. Sistema Extravasor O sistema extravasor foi um canal retangular revestido por concreto tendo seu escoamento desaguando em uma bacia de dissipação de energia do tipo escada de dissipação. O canal foi dimensionado em função da vazão máxima escoada pelo extravasor. A vazão máxima foi calculada pela Equação 10:
(10)
Em que: QmaxS = Vazão máxima escoada pelo extravasor, (m³.s -1); V ES = Volume escoado, (m³); tc = tempo de
concentração da bacia, (h).
O volume escoado foi encontrado através da Equação 11:
(11)
Em que: V ES = Volume escoado, (m³); V E = Volume total que entra no reservatório, (m³); V A = Volume de amortecimento, (m³);
O volume total que entra no reservatório foi encontrado através da Equação 12:
71
(12)
Em que: V E = Volume total que entra no reservatório, (m³); QmaxE = Vazão máxima que entra no reservatório, (m³.s -1); tb E = tempo de base de escoamento, (h).
O tempo de base é o tempo necessário para que todo o volume de amortecimento escoe pelo extravasor, dado pelo triplo do tempo de concentração da bacia. A área molhada, 2,1 m², foi encontrada pela razão entre a vazão máxima escoada pelo canal e a velocidade média da água no canal, 6 m.s -1, (Tabela 10). A largura de base foi calculada pela Equação 13:
(13)
Em que: b = base do canal, (m); A = Área de seção do canal, (m²); y = Altura da água no canal, (m);
TABELA 10 - Velocidades médias, em função do material das paredes do canal.
Material do canal Areia muito fina Areia grossa pouco compactada Terreno arenoso comum Terreno sílico-arenoso Terreno argiloso compactado Gramado Rocha Concreto
Velocidade (m.s -1) 0,25 0,40 0,70 0,75 1,00 1,25 3,00 6,00
Fonte: CARVALHO, 2008.
A altura de água no canal adotada foi de 1,0 m. A declividade do canal foi calculada pela fórmula de Manning, segundo a Equação 14: 72
{ √ }
(14)
Em que: i = Declividade do canal, (m/m); QmaxS = Vazão máxima escoada pelo extravasor, (m³.s n =
-1
);
Coeficiente de rugosidade de Manning;
A = Área de seção do canal, (m²); Rh = Raio hidráulico, (m).
O coeficiente de rugosidade de Manning utilizado foi de 0,018, em função das paredes do canal serem revestidas por concreto e o raio hidráulico, que é a razão entre a área molhada e o perímetro molhado do canal, calculado foi de 0,5 m. O perímetro do canal , 4,1 m, foi calculado pela Equação 15:
(15)
Em que: P = Perímetro molhado do canal, (m); b = base do canal, (m); y = Altura da água no canal, (m);
A escada dissipadora de energia foi utilizada para diminuir o excesso de energia cinética do fluxo, reduzindo a velocidade de escoamento a níveis satisfatórios e sem causar danos ao canal ou à própria estrutura de dissipação. Os degraus foram dimensionados de modo que o comprimento dos degraus, 1,0 m, fosse de pelo menos duas vezes sua altura, 0,5 m. Na Figura 44 pode-se observar a escada dissipadora.
73
FIGURA 44 - Escada Dissipadora. Fonte: CARVALHO, 2008.
4.5.4. Desarenador Para o desarenador, a tubulação de fundo que atravessa o corpo da barragem, foi utilizado uma tubulação de concreto com um comprimento total de 68 m. O cálculo do diâmetro do desarenador foi feito pela fórmula de Hazen-Williams, Equação 16:
(16)
Em que: D = Diâmetro da tubulação, (m); Q = Vazão escoada pelo desarenador, (m³.s -1); C =
Coeficiente de rugosidade de Hazen-Williams;
J = Perda de Carga Unitária, (m.m
-1
).
O coeficiente de rugosidade de Hazen-Williams utilizado foi 120, determinado de acordo com a Tabela 11. 74
TABELA 11 - Coeficientes de rugosidade (C) de Hazen-Wiliams.
Tipo de tubo Aço Corrugado Aço Galvanizado Aço Rebitado Novo Chumbo Cimento-amianto Cobre Concreto Ferro Fundido Novo Fofo após 15-20 anos Fofo usado Fofo revestido com cimento Manilha vitrificada Latão Vidro PVC
C 60 125 110 130 140 130 120 130 100 90 130 110 130 140 140
Fonte: CARVALHO, 2008.
A vazão escoada pelo desarenador, 22,44 m³.s -1, foi encontrada pela Equação 17:
(17)
Em que: Q = Vazão escoada pelo desarenador, (m³.s -1); V AC = Volume de água armazenado na represa, (m³); T =
Tempo de esvaziamento da represa, (seg.);
Qn = Vazão média, (m³.s -1).
O tempo de esvaziamento da represa escolhido foi de 24 horas. O volume armazenado foi de 1.830.436 m³, valor este que está de acordo com a Tabela 5, por ser a altura normal da barragem igual a 10 m. A vazão média, 1,26 m³.s -1, foi a máxima vazão média do curso d’água registrada. A perda de carga unitária, 0,074 m.m -1, foi encontrada pela Equação 18:
(18)
75
Em que: J = Perda de Carga Unitária, (m.m -1); H N = Altura nominal da barragem, (m); B =
Comprimento da tubulação do desarenador, (m).
4.6. MICRO USINA As obras civis, a turbina e o gerador da Micro Usina foram dimensionados de acordo com a metodologia proposta por Tiago Filho et al. (2010). A vazão para o acionamento da turbina hidráulica, 0,23 m³.s -1, foi dada tomando cuidado para que a altura normal da barragem não ultrapassasse 10 m, pelo fato de a metodologia empregada neste trabalho ser válida apenas para pequenas barragens de terra caracterizadas, segundo Carvalho (2008), por uma altura normal de aproximadamente 10 m. 4.6.1. Tomada d’água
A tomada d’água foi projetada como um canal retangular revestido por concreto cortando o corpo da barragem, composto por grade, extravasor e stop logs de pranchões de 4 cm de espessura. Para que o canal comportasse a vazão de acionamento da turbina hidráulica a altura da lâmina d’água que passa por ele foi calculada pela Equação 19:
(19)
Em que: L = Altura da lâmina d’água, (m); Q MC = Vazão de acionamento da turbina hidráulica, (m³.s v = Velocidade da água no canal, (m.s
-1
);
-1
);
l = Largura do canal, (m).
A velocidade da água no canal foi de 0,6 m.s -1, devido o canal ser revestido. A largura do canal foi de 0,8 m, sendo o mínimo recomendado de 0,6 m. A inclinação do canal indicada é de 1 m.km -1. 76
Para a altura das paredes do canal recomenda-se um acréscimo de 15% sobre a altura da lâmina d’água. A grade do canal foi dimensionada pela Equação 20:
(20)
Em que: L g = Comprimento da grade, (m); L = Altura do canal, (m); θ° = Ângulo de inclinação.
A largura da grade assume o mesmo valor da largura do canal. O comprimento do extravasor do canal foi dimensionado pela Equação 21:
(21)
Em que: B = Comprimento do extravasor, (m); Q MC = Vazão de acionamento da turbina hidráulica, (m³.s -1);
A altura de soleira do canal assume o mesmo valor da altura da lâmina d’água.
4.6.2. Câmara de Carga A água que passa pelo canal antes de entrar na tubulação que a leva para a turbina, passa pela estrutura de transição chamada câmara de carga. A câmara de carga é composta por desarenador, grade, comporta desarenadora e de operação da tubulação forçada. As dimensões do desarenador foram, de acordo com a Tabela 12, para largura, 1,3 m, comprimento, 1,6 m e altura, 0,3 m.
77
TABELA 12 - Recomendações para o comprimento, largura e altura do desarenador em função da vazão.
Vazão (l/s) Menor que 50 Entre 50 e 100 Entre 100 e 300 Entre 300 e 600 Entre 600 e 800 Entre 800 e 1000
Largura 0,60 0,80 1,30 1,60 2,00 2,30
Dimensões mínimas (m) Comprimento 0,80 1,00 1,60 2,00 2,50 2,80
Altura 0,30 0,30 0,30 0,40 0,50 0,60
Fonte: TIAGO FILHO et al, 2010.
A profundidade do desarenador, na parte em que se encontra a saída para a tubulação foi encontrada pela soma da altura da lâmina d’água no canal, altura do desarenador e a borda superior (30 cm). A grade foi dimensionada de acordo com a Equação 22:
(22)
Em que: L g = Comprimento da grade, (m); P = Profundidade do desarenador, (m); θ° = Ângulo de inclinação.
A comporta desarenadora é de ferro fundido, acionada por volante, dimensionada de forma a facilitar a limpeza da câmara de carga. A comporta de operação da tubulação forçada é de ferro fundido, acionada por volante e foi dimensionada em função do diâmetro da tubulação.
4.6.3. Tubulação Forçada A tubulação forçada adotada foi do tipo aço, com comprimento de 350 m e um desnível de 20 m. O diâmetro da tubulação foi encontrado pela Equação 23:
(23) 78
Em que: D = Diâmetro interno da tubulação, (cm); k = Coeficiente que depende do tipo de material da tubulação; Q MC = Vazão de acionamento da turbina hidráulica, (m³.s
-1
);
L = Comprimento da tubulação, (m); H = Altura bruta da queda d’água, (m).
Com o diâmetro da tubulação definido foi possível calcular as dimensões da comporta de operação da tubulação forçada. Para este dimensionamento foi utilizada a área da seção da tubulação, e as dimensões da comporta foram suficientes para cobrir toda a área da seção da tubulação. A velocidade da água no interior da tubulação foi calculada para verificar se ela se encontra abaixo da velocidade máxima admissível para a tubulação de aço (5 m.s -1), pela Equação 24:
(24)
Em que: v = velocidade de escoamento, (m.s -1); Q MC = Vazão de acionamento da turbina hidráulica, (m³.s
-1
);
D = Diâmetro interno da tubulação, (m).
A espessura da parede da tubulação foi calculada pela Equação 25:
(25)
Em que: e = Espessura da parede, (mm); H ’ = Altura bruta da queda d’água,
acrescida de 30%, (m).
D = Diâmetro interno da tubulação, (mm); e s = Espessura de corrosão, (mm).
79
A espessura de corrosão é definida em 1 mm. Também foi preciso verificar a espessura mínima da tubulação, considerando a resistência a tração do aço que é igual a 1400 kgf.cm -2 (Manual de Micro Centrais Hidrelétricas, 1985). Sendo a espessura calculada pela Equação 25 menor que 4,76 mm a espessura mínima da tubulação foi a maior entre 4,76 mm e a espessura encontrada pela Equação 26:
(26)
Em que: emin =
Espessura mínima da tubulação, (mm);
D = Diâmetro interno da tubulação, (cm);
A altura em que a tubulação forçada foi determinada em função do seu diâmetro, sendo cerca de 50% deste valor. Foram dimensionados para a tubulação forçada blocos de apoio e ancoragem. Os blocos de apoio foram dimensionados de acordo com a Equação 27 e Equação 28:
(27)
(28)
Em que: A = Altura do bloco, (m); B = Largura do bloco, (m); D = Diâmetro externo do tubo, (m).
O comprimento do bloco foi dimensionado em relação a inclinação do terreno e diâmetro da tubulação e o espaçamento em relação ao diâmetro da tubulação. Os blocos de ancoragem foram dimensionados de acordo com a Equação 29 e Equação 30 (Eletrobrás, 2012):
(29) 80
(30)
Em que: A = Altura do bloco, (m); B = Largura do bloco, (m); D = Diâmetro externo do tubo, (m).
O comprimento do bloco foi dimensionado em relação a inclinação do terreno e diâmetro da tubulação e o espaçamento em relação ao diâmetro da tubulação.
4.6.4. Turbina Hidráulica e Gerador A turbina hidráulica foi selecionada através do gráfico da Figura 45, que relaciona a vazão de acionamento da turbina e o desnível entre o início e o fim da tubulação forçada.
FIGURA 45 - Seleção de turbinas hidráulicas Fonte: VILANOVA, 2007.
Sendo a vazão igual a 0,23 m³.s -1 e a altura de queda igual a 20 m, a turbina selecionada foi do tipo Michel Banki. 81
A turbina tipo Michel Banki possui tecnologia de construção simples, manutenção fácil e de baixo custo, por isso são largamente utilizadas em Micro Usinas. Com a turbina selecionada foram realizadas consultas a fabricantes para a determinação das características do conjunto turbina gerador.
82
5.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1.
BARRAGEM O Balanço Hídrico da micro bacia do Córrego Poções é apresentado na Tabela 13.
TABELA 13 - Balanço Hídrico.
ANO 1999
2000
MÊS J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D
VTo (m³) * * * * * * * * * * 557.314 979.801 1.508.791 1.397.091 1.944.965 1.414.993 935.322 729.456 661.035 556.447 736.769 496.116 1.170.719 1.492.964
VDo (m³) * * * * * * * * * * 815.328 842.506 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506
VTo - VDo(m³) * * * * * * * * * * -258.014 137.296 666.285 636.119 1.102.459 599.665 92.817 -85.872 -181.470 -286.059 -78.559 -346.389 355.391 650.458
VA (m³) * * * * * * * * * * -258.014 -120.718 0 0 0 0 0 -85.872 -267.342 -553.401 -631.960 -978.349 -622.958 0
83
TABELA 13 – Balanço Hídrico (Continuação).
ANO 2001
2002
2003
MÊS J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D
VTo (m³) 1.267.319 976.769 1.400.933 1.123.376 842.569 628.064 514.574 425.153 420.001 749.580 1.392.326 1.620.818 2.008.200 1.592.864 1.631.839 1.254.626 929.260 727.561 622.252 488.100 508.626 402.989 551.675 716.772 1.618.525 1.092.339 1.460.193 1.258.998 880.418 655.036 576.242 475.558 431.587 431.825 901.636 1.083.538
VDo (m³) 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506
VTo - VDo(m³) 424.813 215.797 558.427 308.048 63 -187.264 -327.932 -417.353 -395.327 -92.925 576.998 778.313 1.165.694 831.891 789.333 439.298 86.754 -87.767 -220.253 -354.405 -306.702 -439.517 -263.653 -125.733 776.020 331.367 617.687 443.670 37.912 -160.292 -266.264 -366.947 -383.741 -410.681 86.308 241.032
VA (m³) 0 0 0 0 0 -187.264 -515.195 -932.548 -1.327.875 -1.420.800 -843.802 -65.489 0 0 0 0 0 -87.767 -308.020 -662.426 -969.128 -1.408.645 -1.672.298 -1.798.031 -1.022.012 -690.645 -72.958 0 0 -160.292 -426.556 -793.503 -1.177.244 -1.587.925 -1.501.617 -1.260.585
84
TABELA 13 – Balanço Hídrico (Continuação).
ANO 2004
2005
2006
MÊS J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A S O N D
VTo (m³) 2.611.893 3.004.834 2.943.219 2.387.458 1.401.319 1.157.007 958.043 733.510 551.962 747.363 1.041.358 1.080.672 1.973.280 1.661.983 2.334.151 1.595.894 1.168.287 901.061 786.543 609.815 514.160 456.954 912.032 2.807.734 1.881.720 2.046.372 2.693.141 2.986.435 1.921.736 1.265.834 1.034.626 805.941 * * * 2.052.977
VDo (m³) 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 * * * 842.506
VTo - VDo(m³) 1.769.387 2.216.684 2.100.713 1.572.130 558.813 341.679 115.538 -108.996 -263.366 -95.143 226.030 238.166 1.130.774 901.010 1.491.645 780.566 325.782 85.733 -55.962 -232.691 -301.168 -385.552 96.704 1.965.229 1.039.215 1.285.399 1.850.636 2.171.107 1.079.231 450.506 192.120 -36.564 * * * 1.210.471
VA (m³) 0 0 0 0 0 0 0 -108.996 -372.362 -467.505 -241.475 -3.308 0 0 0 0 0 0 -55.962 -288.653 -589.821 -975.373 -878.669 0 0 0 0 0 0 0 0 -36.564 * * * 0
85
TABELA 13 – Balanço Hídrico (Continuação).
ANO 2007
MÊS J F M A M J J A S O N D
VTo (m³) 2.345.958 3.044.967 2.041.507 1.788.935 1.216.166 984.301 825.704 652.590 467.189 426.869 764.223 1.302.996
VDo (m³) 842.506 760.973 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506 842.506 815.328 842.506 815.328 842.506
VTo - VDo(m³) 1.503.452 2.283.994 1.199.001 973.607 373.661 168.973 -16.801 -189.915 -348.139 -415.637 -51.105 460.491
VA (m³) 0 0 0 0 0 0 -16.801 -206.716 -554.855 -970.492 -1.021.598 -561.107
* Não houve medições. Fonte: Elaborado pelo autor, 2012.
As datas que não apresentaram medições foram desconsideradas para os cálculos. O balanço hídrico mostrou que o maior déficit hídrico da micro bacia foi de 1.798.031 m³ de água. Tal déficit aconteceu em dezembro de 2002. A altura normal da barragem, determinada pelo volume acumulado entre as curvas de nível da área alagada, foi de 10 m, altura localizada na cota 917. Nesta altura o volume útil acumulado foi de 1.800.010 m³ de água, volume este, superior ao maior déficit hídrico da micro bacia. Assim a barragem será capaz de suprir a demanda da propriedade. A altura máxima da barragem foi de 11 m. A probabilidade estocástica seria capaz de garantir uma melhor análise do balanço hídrico da micro bacia, porém este trabalho se concentrou no dimensionamento básico da barragem, sem análises estatísticas. A cota da crista da barragem foi definida em 919 m, assim a altura total da barragem foi de 12 m. A inclinação do talude de montante foi de 3:1 (H:V) e o talude de jusante foi de 2,25:1, estes valores foram obtidos de acordo com a Tabela 8. A largura da crista da barragem foi de 5 m. Este comprimento foi dado em função da altura total da barragem. A crista foi dimensionada para a passagem de veículos, desta forma caso seu comprimento tivesse resultado em um valor menor que 5 m, este valor seria elevado para 5 m. A largura de fundo da barragem foi de 68 m e seu comprimento foi de 650 m. A seção transversal da barragem com as dimensões é apresentada na Figura 46. 86
FIGURA 46 – Seção Transversal da Barragem. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
5.1.1. Sistema Extravasor O tempo de concentração da micro bacia foi de 1469 minutos, a intensidade de precipitação, 6,56 mm/h e a vazão máxima 15,4 m³/s. Os dados utilizados para o dimensionamento do extravasor podem ser vistos na Tabela 14. TABELA 14 - Vazão escoada pelo extravasor.
VOLUME DE ENTRADA QMÁX.E (m³/s) tbE (h) VolE (m³)
15,4 73,4 2.032.976
VOLUME ARMAZENADO VA (m³)
394.426
VOLUME ESCOADO VES (m³)
1.638.550
VAZÃO MÁXIMA ESCOADA PELO EXTRAVASOR QMÁX.S (m³/s)
12,4
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
O canal extravasor foi retangular, com fundo e taludes revestidos por concreto, uma área de 2,1 m², uma largura de 2,1 m e um perímetro molhado de 4,1 m. A declividade do canal foi de 0,029 m.m-1, e a altura da lâmina d’água de 1 m. A escada de dissipação foi constituída por degraus de 0,5 m de altura por 1,0 m de comprimento cada, seguindo a topografia do terreno até atingir o leito do córrego, a largura da 87
escada foi igual a largura do canal extravasor, os muros de alvenaria em suas laterais teve uma altura de 1,50 m (Figura 47).
FIGURA 47 - Vista lateral da escada de dissipação. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
Para uma maior eficiência de dissipação, ao final de cada degrau, foi levantado um muro de contenção com altura de 0,2 m dotado de 2 drenos com diâmetro de 100 mm, com a finalidade de represar a água momentaneamente (Figura 48).
88
FIGURA 48 - Vista Frontal da Escada de Dissipação. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
Ao final da escada de dissipação, o último patamar foi preenchido com pedras de mão, para aumento da dissipação de energia.
5.1.2. Desarenador Para escoar uma vazão de 22,44 m³/s o desarenador ou tubulação de fundo foi de concreto com um diâmetro de 1,5 m e declividade de 0,074 m.m -1. Os tubos foram interligados e rejuntados, internamente e externamente com argamassa. Na intersecção entre um tubo e outro foram feitos anéis de concreto para evitar escoamentos entre a tubulação. O desarenador foi dimensionado para o controle do nível de água e a manutenção da vazão ecológica, além do esvaziamento da represa. O tempo de esvaziamento da represa escolhido foi de 24 horas. A Figura 49 mostra o detalhe do tubo desarenador.
89
FIGURA 49 - Detalhe do Desarenador da Barragem. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
5.2.
MICRO USINA
5.2.1. Tomada d’água O canal da tomada d’água foi construído para o escoamento de 0,23 m³/s, com uma largura de 0,8 m e altura do nível de água igual a 0,47 m. Dimensões que reproduzem uma área capaz de escoar esta vazão. A altura das paredes do canal foi de 0,54 m, correspondendo a um acréscimo de 15% em relação ao nível de água no canal. A cota de construção do canal foi de 916,53 m, a inclinação do canal foi de 0,001 m.m-1. O extravasor foi construído próximo à entrada da câmara de carga, com comprimento de 0,75 m e altura de soleira de 0,47 m. A grade foi construída com hastes metálicas com espaçamento entre as barras de 2,0 cm, um ângulo com o fundo do canal de 70°, comprimento de 0,58 m e largura de 0,8 m, largura esta igual a largura do canal. A grade foi instalada de forma que possa ser removida para facilitar a limpeza. A comporta utilizada foi do tipo stop logs, com pranchões de madeira de 4 cm de espessura. O canal da tomada d’água pode ser visto na Figura 50 .
90
Sentido do fluxo de água.
Grade
Stop logs
FIGURA 50 - Canal da Tomada d'água da Micro Usina. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
5.2.2. Câmara de Carga As dimensões do desarenador foram determinadas em função da vazão de acionamento da Micro Usina, tendo uma largura de 1,3 m, comprimento de 1,6 m e altura de 0,3 m. O desnível do fundo do desarenador da câmara de carga com o fundo do canal foi de 0,3 m, e sua profundidade no ponto em que há a saída da tubulação forçada foi de 0,84 m. A largura da grade da câmara de carga teve o mesmo valor da largura do desarenador, com um comprimento de 0,90; foi instalada formando um ângulo de 70° com o fundo do desarenador. A comporta desarenadora foi 0,15 m x 0,15 m e a comporta de operação da tubulação 0,60 m x 0,60 m, dimensões que possibilitam a abertura ou fechamento total da tubulação forçada. A Figura 51 mostra a câmara de carga da Micro Usina.
91
Extravasor do canal
Grade
Tubulação Forçada
Comporta desarenadora FIGURA 51 - Câmara de Carga. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
5.2.3. Tubulação Forçada A tubulação forçada utilizada foi de aço com diâmetro de 55 cm, com um comprimento de 350 m e um desnível de 20 m. A tubulação forçada foi fixada a cerca de 0,3 m da superfície do solo. A espessura da tubulação foi de 4,76 mm e a velocidade de escoamento da água foi de 0,92 m.s -1, tal velocidade ficou abaixo da velocidade máxima admissível para tubulação de aço, desta forma o diâmetro da tubulação não precisa ser aumentado. As dimensões dos blocos de apoio são mostradas na Tabela 15. TABELA 15 - Dimensões dos Blocos de Apoio.
Descrição Comprimento da Base Largura da Base Altura Espaçamento entre blocos
Dimensões (m) 1,08 0,90 0,67 5,9
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
Um bloco de apoio pode ser visto na Figura 52.
92
Bloco de Apoio Tubulação Forçada
Superfície do Solo
FIGURA 52 - Bloco de Apoio. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
As dimensões dos blocos de ancoragem são mostradas na Tabela 16. TABELA 16 - Dimensões dos Blocos de Ancoragem.
Descrição Comprimento da Base Largura da Base Altura Espaçamento entre blocos
Dimensões (m) 1,20 1,68 1,12 30
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
Os blocos de ancoragem foram construídos de forma que a tubulação forçada passe por dentro deles, fixando a tubulação. Os blocos de ancoragem foram posicionados imediatamente depois da câmara de carga e imediatamente antes da casa de máquinas, e de 30 em 30 metros. Um bloco de ancoragem pode ser visto na Figura 53.
93
Bloco de Ancoragem
Tubulação Forçada Superfície do Solo
FIGURA 53 - Bloco de Ancoragem. Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
5.2.4. Turbina Hidráulica e Gerador A turbina hidráulica escolhida foi do tipo Michel Banki da empresa Betta Hidroturbinas, modelo Betta 3025, com regulador automático de velocidade, tipo eletrônico e quadro elétrico de controle e comando; regulador de vazão composto por unidade eletromecânica para movimentar o perfil hidráulico; rotação nominal do eixo de 520 rpm e multiplicação de rotação por redutor de engrenagens, montadas em caixa com lubrificação a óleo. O gerador oferecido pela empresa foi um gerador síncrono com escovas com potência nominal de 40 kVA e fator de potência de 0,8, rotação nominal de 1800 rpm, frequência de 60 Hz, trifásico com tensão nominal igual a 220 V. A potência gerada pelo conjunto turbina/gerador foi de 26,7 kW ou 34,5 kVA. Um esquema básico da turbina pode ser visto na Figura 54.
94
FIGURA 54 - Esquema básico da turbina. Fonte: BETTA Hidroturbinas, 2012.
O conjunto é composto por volante de inércia com tempo de inércia de 6 segundos, acoplamentos flexíveis com correias entre o eixo da turbina/eixo de entrada do multiplicador de rotação, eixo de saída do multiplicador de rotação/eixo do volante de inércia e eixo do volante de inércia/eixo do gerador. O conjunto turbina/gerador pode ser visto na Figura 55.
95
FIGURA 55 - Conjunto turbina/gerador. Fonte: BETTA Hidroturbinas, 2012.
A potência gerada (27,6 kW) não foi suficiente para suprir a demanda da propriedade, contribuindo apenas com 60% da potência necessária, desta forma o déficit de energia será suprido pela rede concessionária, que no caso deste trabalho será a CELG. A energia gerada pela Micro Usina será responsável pela demanda da casa sede e do galpão de máquinas e a casa de funcionário e o sistema de irrigação serão abastecidos pela concessionária de energia. A distribuição da energia será feita por dois transformadores, um para a Micro Usina e outro para a rede concessionária. A rede concessionária será responsável pelo abastecimento de toda a propriedade quando a Micro Usina não conseguir gerar energia, como por exemplo, em alguma época em que houver um déficit hídrico na micro bacia, maior do que o já registrado.
96
5.3.
O USO MÚLTIPLO DO RESERVATÓRIO A barragem foi dimensionada para atender duas demandas: a irrigação e a geração de
energia. Para a irrigação a barragem foi dimensionada para atender uma vazão de 30 m³.h -1 por um tempo de 12 horas durante o período de irrigação. A tomada d’água da irrigação foi definida em 908 m e a tomada d’ água da Micro Usina em 916,53 m. Caso a produção hídrica da bacia em algum momento não for capaz de acionar a Micro Usina, o volume de água armazenado ainda será capaz de irrigar, pois a tomada d’água da irrigação está localizada em uma cota mais baixa; desta forma ainda contará com um volume de água na represa capaz de irrigar.
97
6.
CONCLUSÕES As barragens têm permitido ao homem o armazenamento de água para que possa ser
usada em épocas de estiagem; assim têm sido muito importantes para a geração de energia hidrelétrica e irrigação por exemplo. Tendo como base o desenvolvimento e a gestão dos recursos hídricos das bacias, os projetos de barragens de usos múltiplos são muito importantes para países em desenvolvimento, pois assim a população ganha benefícios em termos domésticos e econômicos em um único investimento. A barragem deste trabalho teve uma altura normal de 10 m, e uma altura total de 12 m. A inclinação do talude de montante foi de 3:1 (H:V) e a inclinação do talude de jusante foi de 2,25:1 (H:V). A largura da crista foi de 6 m e a largura da base foi de 68 m. O extravasor da barragem foi um canal retangular revestido por concreto com largura de 2,1 m e altura de água de 1 m. O desarenador da barragem foi uma tubulação de concreto com diâmetro de 1,5 m. Nas regiões rurais as Micro Usinas são importantes alternativas para o abastecimento de eletricidade às propriedades. Elas são construídas, aproveitando- se pequenos cursos d’água e causam o mínimo de impacto ambiental. Assim, havendo na propriedade uma fonte hídrica considerável, torna-se possível implantar uma Micro Usina hidrelétrica. Para este trabalho a Micro Usina foi composta por um c anal da tomada d’água com dimensões de 0,8 m de largura por 0,54 m de altura, grade, comporta tipo stop logs e extravasor próximo a câmara de carga; uma câmara de carga com desarenador de 1,3 m de largura por 1,6 m de comprimento, grade, comporta desarenadora e comporta de operação da tubulação forçada; tubulação de aço com diâmetro de 0,55 m apoiada e sustentada por blocos de apoio e ancoragem; turbina hidráulica tipo Michel Banki e gerador elétrico com escovas, trifásico de 220 V, gerando 27,6 kW de potência. Como sugestão para trabalhos futuros tem-se: a análise da estabilidade da barragem, desta forma a barragem poderá ter uma altura maior do que 10 m e acumular um volume maior de água dispondo de uma vazão capaz de suprir toda a demanda elétrica da propriedade.
98
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102
APÊNDICE A Tabela 1: Vazões mínimas mensais da Micro Bacia do Córrego Poções, (m³/s).
Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Novembro Dezembro
1999 * * * * * * * * * * 0,178 0,178
2000 0,383 0,348 0,464 0,423 0,310 0,254 0,232 0,181 0,188 0,141 0,206 0,405
2001 0,344 0,306 0,318 0,314 0,278 0,217 0,167 0,141 0,125 0,167 0,178 0,418
2002 0,483 0,493 0,400 0,378 0,266 0,235 0,206 0,164 0,151 0,113 0,151 0,110 0, 110
Ano 2003 0,310 0,025 0,356 0,365 0,270 0,228 0,192 0,157 0,141 0,125 0,199 0,235 0, 235
2004 0,391 0,858 0,727 0,586 0,441 0,396 0,323 0,243 0,188 0,185 0,247 0,262 0, 262
2005 0,391 0,488 0,502 0,493 0,378 0,314 0,258 0,199 0,164 0,132 0,181 0,502
2006 0,436 0,502 0,722 0,782 0,556 0,441 0,335 0,266 * * * 0,512
2007 0,701 0,890 0,606 0,543 0,391 0,331 0,290 0,213 0,151 0,135 0,178 0,258 0, 258
2006 0,703 0,846 1,006 1,152 0,717 0,488 0,386 0,301 * * * 0,766
2007 0,876 1,259 0,762 0,690 0,454 0,380 0,308 0,244 0,180 0,159 0,295 0,486 0, 486
* Não houve medições.
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012. Tabela 2: Vazões médias mensais da Micro Bacia do Córrego Poções, (m³/s).
Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Novembro Dezembro
1999 * * * * * * * * * * 0,215 0,366
2000 0,563 0,578 0,726 0,546 0,349 0,281 0,247 0,208 0,284 0,185 0,452 0,557
2001 0,473 0,404 0,523 0,433 0,315 0,242 0,192 0,159 0,162 0,280 0,537 0,605
2002 0,750 0,658 0,609 0,484 0,347 0,281 0,232 0,182 0,196 0,150 0,213 0,268 0, 268
Ano 2003 0,604 0,452 0,545 0,486 0,329 0,253 0,215 0,178 0,167 0,161 0,348 0,405 0, 405
2004 0,975 1,199 1,099 0,921 0,523 0,446 0,358 0,274 0,213 0,279 0,402 0,403 0, 403
2005 0,737 0,687 0,871 0,616 0,436 0,348 0,294 0,228 0,198 0,171 0,352 1,048
* Não houve medições.
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
103
Tabela 3: Vazões máximas mensais da Micro Bacia do Córrego Poções, (m³/s).
Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
1999 * * * * * * * * * * 0,282 0,684
2000 1,639 1,025 1,117 0,849 0,423 0,310 0,262 0,274 0,596 0,361 1,141 0,895
2001 0,815 0,716 1,167 0,771 0,469 0,302 0,213 0,185 0,250 1,001 1,803 1,173
2002 1,653 1,055 1,123 0,642 0,446 0,310 0,254 0,202 0,391 0,356 0,460 0,738
Ano 2003 1,611 0,895 0,849 0,653 0,391 0,290 0,235 0,192 0,250 0,274 0,771 0,760
2004 3,791 2,316 2,506 1,957 0,793 0,507 0,409 0,318 0,235 0,576 0,642 0,596
2005 1,767 1,639 1,753 1,269 0,561 0,383 0,318 0,262 0,266 0,290 1,353 2,292
2006 1,515 2,571 2,038 2,893 1,256 0,556 0,460 0,369 * * * 1,556
2007 1,211 3,097 1,096 2,017 0,553 0,400 0,322 0,274 0,220 0,184 0,606 0,974
* Não houve medições.
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
104
APÊNDICE B Tabela 1: Vazões específicas mínimas mensais da Micro Bacia do Córrego Poções, (l/s.km²).
Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
1999 * * * * * * * * * * 8,6 8,6
2000 18,5 16,8 22,4 20,4 15,0 12,3 11,2 8,7 9,1 6,8 9,9 19,6
2001 16,6 14,8 15,4 15,2 13,4 10,5 8,1 6,8 6,1 8,1 8,6 20,2
2002 23,3 23,8 19,3 18,3 12,8 11,4 9,9 7,9 7,3 5,5 7,3 5,3
Ano 2003 15,0 1,2 17,2 17,6 13,0 11,0 9,3 7,6 6,8 6,1 9,6 11,4
2004 18,9 41,4 35,1 28,3 21,3 19,1 15,6 11,7 9,1 8,9 11,9 12,7
2005 18,9 23,6 24,3 23,8 18,3 15,2 12,5 9,6 7,9 6,4 8,7 24,3
2006 21,1 24,3 34,9 37,8 26,9 21,3 16,2 12,8 * * * 24,7
2007 33,8 43,0 29,3 26,2 18,9 16,0 14,0 10,3 7,3 6,5 8,6 12,5
* Não houve medições.
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012. Tabela 2: Vazões específicas médias mensais da Micro Bacia do Córrego Poções, (l/s.km²).
Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
1999 * * * * * * * * * * 10,4 17,7
2000 27,2 27,9 35,1 26,4 16,9 13,6 11,9 10,0 13,7 8,9 21,8 26,9
2001 22,9 19,5 25,3 20,9 15,2 11,7 9,3 7,7 7,8 13,5 25,9 29,2
2002 36,2 31,8 29,4 23,4 16,8 13,6 11,2 8,8 9,5 7,3 10,3 12,9
Ano 2003 29,2 21,8 26,3 23,5 15,9 12,2 10,4 8,6 8,0 7,8 16,8 19,5
2004 47,1 57,9 53,1 44,5 25,3 21,6 17,3 13,2 10,3 13,5 19,4 19,5
2005 35,6 33,2 42,1 29,7 21,1 16,8 14,2 11,0 9,6 8,2 17,0 50,6
2006 33,9 40,9 48,6 55,7 34,7 23,6 18,7 14,5 * * * 37,0
2007 42,3 60,8 36,8 33,3 21,9 18,3 14,9 11,8 8,7 7,7 14,2 23,5
* Não houve medições.
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
105
Tabela 3: Vazões específicas máximas mensais da Micro Bacia do Córrego Poções, (l/s.km²).
Mês Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
1999 * * * * * * * * * * 13,6 33,1
2000 79,2 49,5 53,9 41,0 20,4 15,0 12,7 13,2 28,8 17,4 55,1 43,2
2001 39,4 34,6 56,4 37,2 22,7 14,6 10,3 8,9 12,1 48,3 87,1 56,7
2002 79,9 51,0 54,2 31,0 21,5 15,0 12,3 9,8 18,9 17,2 22,2 35,6
Ano 2003 2004 77,8 183,1 43,2 111,9 41,0 121,1 31,5 94,5 18,9 38,3 14,0 24,5 11,4 19,8 9,3 15,4 12,1 11,4 13,2 27,8 37,2 31,0 36,7 28,8
2005 85,4 79,2 84,7 61,3 27,1 18,5 15,4 12,7 12,8 14,0 65,4 110,7
2006 73,2 124,2 98,5 139,8 60,7 26,9 22,2 17,8 * * * 75,2
2007 58,5 149,6 52,9 97,5 26,7 19,3 15,6 13,2 10,6 8,9 29,3 47,1
* Não houve medições.
Fonte: Elaborada pelo autor, 2012.
106
ANEXO 1
107
