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O princípio básico que se desenvolve num gerador elétrico é o seguinte: uma bobina de fio girando, submetida a um campo magnético e com um núcleo de ferro no seu interior ou vice-versa, fará induzir na bobina e aparecer nas suas extremidades uma carga de elétrons.

Como a utilização deste fenômeno eletromagnético foi se popularizando, inicialmente para iluminação pública e depois em substituição às máquinas térmicas, houve necessidade de se construir bobinas de fio e núcleos de ferro mais elaborados para o fornecimento de energia a um sem número de consumidores com suas finalidades específicas.

O primeiro aparelho que se beneficiou do uso da eletricidade foi o rádio.

Desde o fim do século 19, a energia é produzida comercialmente através de usinas hidrelétricas, termelétricas convencionais e termelétricas nucleares (já no fim dos anos 50), também chamadas de nuclelétricas. Existem, também, usinas que se aproveitam da força das marés, dos ventos e da energia solar.

Um sistema equilibrado de geração é aquele que dispõe de opções hidrelétricas e termelétricas. Como assim?

-Hidrelétricas dependem de nível de acúmulo de água em seus reservatórios, que por sua vez, depende de uma conjunção de fatores metereológicos e ambientais. Quando há irregularidade na precipitação pluviométrica, os níveis baixam e consequentemente a capacidade geradora de uma usina hidrelétrica fica comprometida.

Para compensar estes períodos sazonais, lança-se mão da opção termelétrica, que independe das condições acima.

O investimento inicial para construção de uma unidade hidráulica é muito superior ao de uma unidade térmica. Normalmente, desapropriam-se terras, pagando-se indenizações e faz-se assentamento da população que é removida das áreas que sofrerão alagamento, além de produzir um grande impacto na fauna, flora e clima.

O tempo de construção de uma hidrelétrica é muito maior que o tempo de montagem de uma termelétrica convencional.

Uma unidade térmica, comparativamente, é mais barata, no entanto os seus custos de manutenção ao longo de sua vida operacional excedem aqueles que serão aplicados numa unidade hidráulica. Além disto, uma unidade térmica terá que controlar os níveis de poluentes resultante da combustão de óleo ou carvão.

Neste aspecto, unidades a gás são menos agressivas ao meio ambiente por não produzirem resíduos de combustão e economicamente atraentes por ser o gás mais barato que o óleo e o carvão.

Desde que o gás, não seja aquele do Gasoduto Bolívia-Brasil que tem cotação de preço em dólar, e que no ano de 1999, com a desvalorização cambial, tornou-se uma opção cara para aplicação na geração elétrica.

Numa usina hidrelétrica, a máquina responsável pela produção de energia elétrica se chama gerador. Trata-se de uma máquina rotativa composta de um estator, onde estão localizadas as bobinas de fio e de um rotor elétrico, que vem a ser o núcleo de ferro das experiências que descobriram a energia elétrica.

Na experiência de laboratório, a bobina é girada, enquanto o núcleo está parado. Na prática, é mais fácil girar o rotor e manter o estator (bobinas) parado que o inverso. O campo magnético é fornecido por um ímã ou uma excitatriz que polarizará este rotor.

Mas o que fará girar este rotor? Dependendo de outra característica do gerador (i.e. quantos dipolos têm), o gerador terá que girar o suficiente para produzir uma tensão elétrica com freqüência de 60 ciclos ou Hertz, que é a freqüência adotada em todo o sistema elétrico brasileiro. Alguns países, como Inglaterra e Japão, operam em 50 Hertz.

Quanto mais dipolos menos giros por segundo para se obter 60 Hertz. Assim, se um gerador tem 4 dipolos, precisará girar a 900 rotações por segundo para criar uma tensão de 60 Hertz, 1.800 rotações por minuto se tiver dois dipolos.

F= pn/60

onde F é o valor da freqüência obtida quando o produto do número de dipolos (p) e rotação (n) é dividido pelo tempo de 60 segundos.

O que produzirá esta rotação no eixo do gerador?

Acoplado ao eixo do gerador está uma turbina, que é uma máquina projetada para suportar uma pressão mecânica e produzir um efeito cinético.

Até aqui, uma usina hidráulica e térmica e mesmo nuclear, não tem diferença.

A diferença começa a aparecer quando determinamos que fluido irá mover a turbina e como obteremos este fluido nas condições necessárias a manter o conjunto turbina-gerador, ou turbogerador, na velocidade específica que produzirá energia elétrica numa base confiável e constante e que atenda as necessidades dos consumidores que estão ligados a este sistema elétrico.

Os ciclos mais desenvolvidos para geração termelétrica são: caldeira geradora de vapor e turbogerador a vapor, motogerador com o ciclo diesel, em geral com óleos pesados, óleo diesel ou gás natural e turbogerador a gás, em geral com óleos leves ou gás natural.

O fluido que irá mover a turbina é o vapor produzido numa caldeira de pressão. Uma caldeira vem a ser um equipamento composto de tubos d’água em todo o seu perímetro, formando o que se chama de parede d’água. No interior da caldeira, ladeada pelas paredes d’água, há a zona de combustão ou fornalha, onde o combustível queimará e assim aquecerá a água no interior dos tubos da parede d’água.

Este vapor será coletado no topo da caldeira, num equipamento chamado tambor e através de tubulações será conduzido até a turbina. O vapor sob alta pressão e temperatura se expandirá e movimentará as palhetas da turbina.

O vapor é produzido num vaso de pressão chamado gerador de vapor, que é aquecido indiretamente pela água que resfria um reator nuclear. No reator se processa uma reação de fissão decorrente do choque de nêutrons com o núcleo de átomos de urânio que se partem provocando uma grande liberação de energia térmica.

Este sistema, chamado de primário, fica a alta pressão e temperatura, sendo que uma bomba faz o resfriamento do interior do reator por fazer esta água circular de onde se processa a reação nuclear até o gerador de vapor onde esta água cede energia térmica por condução, através dos vários tubos em que se bifurca a linha de resfriamento do reator para aumentar a área de transferência.

A água do gerador de vapor, que é o sistema secundário, se aquece até vaporizar-se. Este vapor movimentará a turbina.

Todas as substâncias envolvidas na execução do trabalho –combustível, ar e água são aquecidas antes de entrarem no processo para que se consiga obter o mais alto grau de rendimento.

O ciclo térmico tem baixo rendimento (na faixa dos 30%) e se caracteriza por ser fechado, trazendo o fluido de trabalho novamente ao estado inicial. Isto porque a água numa caldeira de alta pressão tem certas características de pureza, que são obtidas através de tratamento químico para remoção de metais e sais presentes na água comum.

Num sistema hidráulico, vale o ditado popular: "águas passadas não movem moinhos." Mas isto não se dá numa unidade térmica.

A água é transformada em vapor nos tubos d'água da caldeira, mediante a queima de combustível que alimenta continuamente maçaricos que estão instalados no corpo da caldeira.O vapor produzido nestes tubos é levado através de uma tubulação até a turbina.

Este jato de vapor sobre as palhetas da turbina fará com que a mesma gire em torno de seu eixo que está conectado ao eixo do gerador elétrico.

O vapor depois de transferir energia térmica sob forma de energia cinética irá para o condensador.

O condensador é uma caixa provida de tubos metálicos que são dispostos de forma transversal ao fluxo de vapor. Por estes tubos faz-se passar água com temperatura ambiente, muito mais baixa que a temperatura do vapor de exaustão da turbina. Ao entrar em contato com a superfície fria destes tubos o vapor se condensará.

Este condensado de vapor ou água será bombeado para a caldeira novamente, completando o ciclo.

Antes de atingir a caldeira, a água passará por trocadores de calor aquecidos por vapor vindo da turbina (extrações de vapor). O mesmo se faz com o combustível que antes de chegar aos maçaricos é aquecido em trocadores de calor similares, o ar usado para a mistura com o combustível é tomado da atmosfera através de ventiladores que o impelem para dentro da caldeira, o ar passa por trocadores específicos (cestas com chapas corrugadas), que são aquecidos pela passagem dos gases de combustão que vão para a chaminé.

Com estes aproveitamentos de calor, melhora-se o rendimento térmico da unidade.

Transformando-se continuamente as energias, energia química (queima de combustível) em energia térmica (vapor) e então em energia cinética (movimento radial do turbogerador), conseguimos produzir energia elétrica.

Com a adoção do ciclo combinado a eficiência do ciclo térmico passará para a faixa de 50%.