A carga hidráulica refere-se a uma medida da energia disponível na água de rios, córregos ou lagos. Representa o nível da água em um corpo d'água em movimento. Simplificando, mede a altura de uma coluna de água acima de um ponto e é comumente expressa em metros (ou pés nos EUA). Quando o nível da água, ou carga hidráulica, é maior, há energia disponível naquele local específico.
Em instalações hidrelétricas, a quantidade de energia aproveitada depende da diferença entre o nível da água a montante no reservatório e o nível da água a jusante abaixo da barragem. Essa diferença é chamada de diferença de carga hidráulica. Ela indica a quantidade de energia que pode ser convertida em eletricidade usando turbinas e geradores. Cálculos adicionais revelam que, além da distância, diversas perdas, chamadas de perdas de carga, também influenciam o aproveitamento de energia.
Como a água no reservatório, estando em um nível mais alto, possui maior energia potencial gravitacional horizontal do que a água no canal de descarga, a energia potencial gravitacional da água do reservatório que desce pelos condutos forçados gera a energia necessária para movimentar as turbinas e produzir eletricidade. O procedimento é descrito a seguir utilizando a equação de Bernoulli. De modo geral, uma queda d'água é equivalente a uma unidade de energia gravitacional – neste caso, a energia de armazenamento de água.
A equação de energia hidrelétrica utiliza o valor da carga hidráulica para fornecer a potência disponível estimada. Esse fator desempenha um papel na equação representada da seguinte forma:
P = ρQgΔh
Onde:
- P – A taxa na qual a potência é calculada e medida é expressa em joules por segundo, conhecida como W.
- Δh – Representa a diferença de carga hidráulica na barragem ou turbina medida em metros.
- ρ – Depende da densidade do fluido medida em kg/m3.
- Q – Denota a vazão volumétrica ou vazão de água medida em metros por segundo (m3/s).
- g – Representa a aceleração da gravidade, medida em metros por segundo ao quadrado.
Esta equação afirma que uma maior diferença de altura leva a um potencial de energia mecânica armazenada em reservatórios.
Tipos de Cabeçote Hidráulico
Há três classificações de represas com base em suas diferenças de carga hidráulica; média e baixa. Mais detalhes sobre esses tipos de carga hidráulica serão discutidos posteriormente.
1. Cabeça alta
Quando há uma diferença de altura superior a cem metros, é considerada uma usina de alta queda. Ao contrário da anterior, a água que flui nesta usina geralmente é captada de alturas acima do seu entorno, o que significa que requer um volume menor para gerar energia semelhante. Como a água flui por esses sistemas, ela não flui em alta velocidade e, portanto, turbinas menores são necessárias.
A água também tem que viajar por alguma distância usando um longo conduto forçado, já que mesmo uma turbina mais curta e um conduto forçado mais estreito levarão à formação de bolsas de ar que reduzem a eficiência. Na maioria das vezes, grandes usinas hidrelétricas pertencem às quedas altas e médias.
2. Cabeça média
Em sistemas de média queda, a diferença de altura varia de 10 a 100 metros. Há uma menor queda de elevação em comparação com uma barragem de alta queda, considerando-se a conduta forçada em uma barragem de média queda. Esse tipo de barragem aproveita uma quantidade considerável de água e uma grande perda de altura dessa água.
3. Cabeça baixa
Os sistemas normalmente possuem barragens de baixa queda com menos de 10 metros de altura . Devido a isso, turbinas hidrelétricas de baixa queda são geralmente aplicadas em operações como sistemas a fio d'água, que envolvem a movimentação de rios sem elevação significativa do nível da água.
Um sistema típico de baixa queda transporta muita água, portanto, turbinas maiores são necessárias para transformar energia hídrica em energia de forma eficiente. Não é necessário represamento de água para essas instalações, pois menos água precisa ser armazenada.
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Perdas de carga hidráulica
Essas perdas ocorrem devido ao atrito dentro dos tubos . Levar em consideração essas perdas de carga reduz a quantidade de energia na água. Esse valor ajustado, para uma carga que considera as perdas, é chamado de carga efetiva.
A altura de queda efetiva é igual à altura de queda bruta menos todas as perdas de carga. Todas as instalações hidrelétricas produzem perdas de carga, que são divididas em perdas de carga principais e secundárias. As perdas de carga hidráulica são então medidas, calculadas e expressas em pé de igualdade com a própria altura de queda hidráulica, por exemplo, em termos da altura equivalente do hidrômetro . Isso requer que se deduza, da potência bruta total, a potência desperdiçada devido às perdas de carga; assim, obtém-se a potência líquida real que pode ser aproveitada. A equação pode ser expressa como:
P líquido = P bruto − P prejuízo
Leia também: O que é uma usina hidrelétrica convencional?
Tipos de Perdas de Carga
Os tipos de perdas de carga são:
Perdas de carga significativas: A grande maioria das perdas de carga significativas resulta do atrito nas tubulações e ocorre em longos trechos da tubulação, por exemplo, na conduta forçada.
Perdas de carga menores: Qualquer outra fonte de perdas de carga menores além das perdas por atrito. Essencialmente, qualquer ponto onde um tubo se curva ou onde o movimento da água é alterado apresenta algum tipo de perda, que é chamada de perda menor.
No entanto, existem casos em que as maiores perdas de carga são menores que as menores, mas elas se somam para determinar a potência total de uma barragem hidráulica, diferentemente do que seus nomes sugerem.
Leitura obrigatória: O que é fraturamento hidráulico?
