Estudo de uma central hidroeléctrica com base em turbina hidráulica reversível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Esta tese tem como objectivo, o dimensionamento de uma Turbina reversível que dê resposta às necessidades energéticas da ilha de Santiago, arquipélago de Cabo Verde, no longo prazo. Prevê-se que em 2040 a ilha da capital terá uma procura de 546 ???????? h por ano e uma necessidade de 111 ???????? de potência instalada. Por razões de manutenção e de dependência num sistema único de produção, a transformação de energia dar-se-á por meio de duas Turbinas Reversíveis de 55 ????????. O reservatório situar-se-á possivelmente na Cidade Velha, com uma altura de queda de 135 ????, com um volume de água de 2,78 milhões de metros cúbicos. O caudal a atravessar o equipamento será 37,3 ????3???? / . A tecnologia de protecção dos elementos internos e externos da máquina hidráulica fica ao critério do construtor, mas alguns materiais são altamente recomendados com baseem estudos conduzidos na área em anos anteriores. Materiais como Aço com baixo teor em carbono, Aço inoxidável endurecido ou Aço laminado revestido com Vinyl Ester,são soluções viáveis para a protecção do equipamento à erosão e à corrosão. Após realização de cálculos empíricos, define-se que a Turbina Reversível terá a rotação de 400 rpm, um diâmetro de roda de 2,943 metros e um rendimento de aproximadamente 92% em modo de Bomba. Compara-se os resultados empíricos com a simulação no Software de design CFTurbo para validar os valores obtidos. É efectuada uma previsão do consumo energético da ilha de Santiago em 2040 através de um diagrama de cargas. Com base na possível integração de várias fontes renováveis no parque electroprodutor da ilha são analisadasalgumas das fontes com mais potencial. Prevê-se, para evitar desperdício de energia, que em 2040 apenas funcione uma unidade de 55 MW. A bombagem ocorrerá durante a noite e madrugada e turbinar-se-á nas horas de ponta e cheias. A penetração da produção será de 50% só através da turbina reversível.

Abstract: The main goal of this thesis is to design a Pump Turbine which can provide in the long term the energy supply requirements of Santiago’s Island, in Cape Verde. It is predicted that in 2040 the island will have a yearly energy demand reaching 546 GWh and will also need 111 MW of installed power. For maintenance and redundancy reasons, there will be two Pump Turbines. The upper reservoir will possibly be placed at Cidade Velha, with a water fall of 135 meters and a total water volume of 2,78 million cubic meters. The flow rate will be37,3 ????3???? / . The protection of both internal and external elements of the hydraulic machine it’s up to the constructor, however based on several case studies some materials are highly recommended. Materials like low carbon steel, hardened stainless steel or rolled steel coated with Vinyl Ester can be a reliable solution to protect the equipment against erosion and corrosion. Based on empiric calculations to be performed, the Pump Turbine will have a diameter of 2,943 meters, an efficiency of approximately 92% on Pump mode and it will be rotating at 400 revolutions per minute. Results from both empiric calculations and the CFTurbo design Software reports are compared in order to achieve a sustainable conclusion. A forecast of the energetic consumption of Santiago’s island for 2040 is made through load diagrams. Based on possible integration of renewable energy sources on the island’s grid, some sources with good potential are analyzed. To avoid waste of energy, it is predicted that in 2040 only one unit of 55 MW will be working. Pumping will occur during night and energy production will occur on peak and shoulder hours. Penetration through reversible turbine can reach up to 50%.