Apresentação 06 08-2013

INSTITUTO FEDERAL DE CIÊNCIA, EDUCAÇÃO E TECNOLOGIA – Campus Limoeiro do Norte

ENERGIA EÓLICA

Luiz Paulo OliveiraOnilson NogueiraRenata Andrade

O vento é uma das mais antigas fontes renováveis utilizadas pelo homem. A energia eólica provém da energia cinética contida nas

massas de ar em movimento, que geram energia de rotação capaz de movimentar turbinas eólicas ou aerogeradores

• As primeiras iniciativas de aproveitamento da energia eólica datam do século XIX, mas foi apenas em 1976 que se instalou, na Dinamarca, a primeira turbina eólica comercial.

• Inovações tecnológicas recentes, como a aerodinâmica das pás, vêm melhorando o desempenho e a eficiência do sistema

• Com base nos dados, podemos perceber que, em países como Alemanha, Espanha, Estados Unidos e Dinamarca, a energia eólica vai de vento em popa. Juntos, os quatro respondem por cerca de 80% da capacidade instalada no mundo. Somadas outras fontes alternativas, a Alemanha gerava, em 2007, 12,5% de sua eletricidade por meio de fontes renováveis

• Há outras regiões do planeta que também têm potencial a ser aproveitado por apresentar as condições naturais básicas necessárias: ventos constantes até 50 metros de altitude, com velocidade de 7 a 8 metros por segundo. Entre elas estão o Brasil e o continente africano.

• Mapa 2 - O potencial eólico no Brasil (2003)(Agência Nacional de Energia Elétrica-Aneel)

A observação do mapa ajuda a entender que algumas faixas do território brasileiro têm grande potencial de aproveitamento da energia eólica. Entre elas, estão o trecho costeiro Ceará–Rio Grande do Norte–Paraíba, chapadas ou serras no interior da Bahia e Pernambuco e o litoral capixaba, fluminense e gaúcho.

• A energia eólica vem aumentando sua participação no contexto energético brasileiro nos últimos anos. Desde a criação do Proinfa (Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica), e, posteriormente, os sucessivos leilões de compra e venda deste tipo de energia, a capacidade instalada de geração passou de um pouco mais de 25 MW em 2005, para 1.886 MW, ao final de 2012.

• Em dezembro de 2012, o Brasil contava com 84 parques eólicos em operação, distribuídos principalmente pelas regiões nordeste (64% da capacidade instalada), e sul (35% da capacidade instalada). Em 2012, foram gerados 5.020 GWh de energia eólica – 86% acima da geração de 2011- e já respondendo por 1% da geração elétrica brasileira.

• Além de ser uma fonte renovável e barata, a energia eólica se apresenta como complementar à fonte hidrelétrica, na medida em que os melhores ventos ocorrem nos períodos de menor regime de chuvas. A geração eólica auxilia na recomposição dos níveis dos reservatórios, ou seja, possibilita a formação de acúmulo de água para geração futura.

• Entre 2011 e 2021, a capacidade instalada de geração elétrica deve aumentar em 79,9 GW, sendo 28,0 GW de fontes alternativas, no caso da energia eólica, se espera que de 2012 a 2016 sejam instalados 7,6 GW, e entre 2016 e 2021, mais 6,2 GW. Neste contexto, a energia eólica deverá chegar em 2021 com 7,7% da capacidade instalada brasileira, contra 1,7% verificado ao final de 2012.

• O Brasil é o país mais promissor do mundo em termos de produção de energia eólica, na avaliação do Global Wind Energy Council, organismo internacional que reúne entidades e empresas relacionadas à produção desse tipo de energia. Ao final de 2012, o País ocupava o 20º lugar no mundo em capacidade instalada de geração de energia a partir da força dos ventos. De 2005 a 2012, a capacidade instalada aumentou 70 vezes e foi a que mais cresceu dentre todas as fontes de energia. Não obstante o forte crescimento, a capacidade instalada brasileira representa apenas 0,6% da capacidade mundial.

• Os mapas eólicos desenvolvidos pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica apontam que os ventos brasileiros apresentam ótimas características para a geração elétrica, com boa velocidade , baixa turbulência e boa uniformidade, o que possibilita fatores de capacidade de geração em alguns parques de até 50%. No mundo, o fator de capacidade médio de geração eólica não chega a 20% (operação abaixo de 1800 horas por ano, para o total das 8.760 horas anuais), enquanto que no Brasil, o indicador foi de 34% em 2012. O potencial brasileiro de energia eólica é estimado em um pouco mais de 140 GW, avaliado para torres de 50 m de altura. Estima-se que o potencial possa mais que dobrar se forem consideradas torres de mais de 100 m de altura.

PROJETO BÁSICO

DEPENDE DE TRÊS FATORES PRINCIPAIS:

ESCOLHA DO LOCAL

• Intensidade, frequência, velocidade e direção dos ventos no local POR ALGUNS ANOS.

• O relevo e a rugosidade do terreno.

POR QUÊ?

POR QUÊ?

• Por exemplo, para determinar a velocidade do vento na altura desejada em termos práticos, para sistemas com altura até 150m, usa-se a seguinte equação:

, onde:

POR QUÊ?

• V – Velocidade do vento na altura desejada;• V0 - Velocidade do vento na altura conhecida;• H – Altura desejada;• H0 – Altura conhecida;• n – Fator de rugosidade do terreno, conforme

Quadro a seguir.

FATOR DE RUGOSIDADE

ESCOLHA DO LOCAL

• A infra-estrutura deve ser adequada ao que se pretende, ou seja, a central eólica não deverá ser construída muito distante de uma linha de transmissão ou centro de consumo de energia elétrica.

• Os dois tipos básicos de localização de uma central eólica são apresentados a seguir:

ESCOLHA DO LOCAL

• Terrestre :

PARQUE EÓLICO DO TEXAS, USA

ESCOLHA DO LOCAL

• Marítima ou offshore:

PARQUE EÓLICO DE NYSTED, NO MAR BÁLTICO, A 10 KM DA COSTA DA DINAMARCA: 72 MOINHOS EM ALTO MAR

ESCOLHA DO LOCAL

• O PORQUE de um parque marítimo:1. Não ter limitações em termos de utilização do solo e dos

diversos impactos visuais.2. Não há problemas com impactos sonoros, devido a distância

da costa.3. A superfície do mar tem baixa rugosidade.4. Devido à menor rugosidade, as turbinas não necessitam de

grandes alturas (comparando-as com o solo terrestre).5. Globalmente, a turbulência do vento é muito inferior no mar,

devido à ausência de barreiras. Assim, as turbinas não sofrem um desgaste exorbitante, tendo um aumento em sua vida útil.

POSICIONAMENTO DE UNIDADES GERADORAS

• As unidades geradoras podem ser alocadas em conjunto, pois a alguma distância lateral e a jusante das mesmas, o escoamento do vento praticamente recupera as condições originais. Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições de operação da turbina, a rugosidade de terreno e a condição de estabilidade térmica vertical da atmosfera.

• De modo geral, uma distância considerada segura para a instalação de um novo gerador é da ordem de 10 vezes o diâmetro “D” das pás do rotor quando instalado a jusante(a frente ou atrás), e 5 vezes “D” quando instalada lateralmente, conforme a Figura a seguir

POSICIONAMENTO DE UNIDADES GERADORAS

A PARTE DE VERDE É A REPRESENTAÇÃO DO ESCOAMENTO DO VENTO

POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO

• Para determinar a potência aproximada que será entregue ao gerador da central eólica depende de alguns fatores:

1. Densidade do ar2. Rendimentos3. Tamanho das pás 4. Velocidade do vento.


• Uma turbina eólica capta uma parte da energia cinética do vento que passa através da área varrida pelo rotor e a transforma em energia elétrica.

• A análise que será feita a seguir relacionará Potência e Velocidade do vento.


• A energia cinética é dada por:

(Equação 1) , onde:

• E – Energia;• m – Massa;• V – Velocidade.


• A densidade do ar no local:

(Equação 2) onde,

• d – Densidade do ar;• m – Massa;• Vol – Volume.

POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO• Imaginando a velocidade do vento constante

“V”, o volume da massa de ar “Vol”, corresponde à área S = πR2 multiplicada pelo comprimento “L” percorrido pela massa de ar, projetando um cilindro como ilustrado na Figura a seguir:


• Substituindo a equação 2 na 1 e sabendo do volume do cilindro:

Equação 3


• Lembrando-se que a potência é o quociente entre energia e tempo e a velocidade do vento podendo ser considerada constante e calculada como o comprimento dividido pelo tempo, têm-se:

Equações 4 e 5


• Onde: 1. P – Potência;2. E – Energia;3. t – Tempo;4. V – Velocidade;5. L – Comprimento.


• Sabendo da equação 4 e substituindo em 3 e 5 tem-se o seguinte:

• EQUAÇÃO 6

DEPENDE DE: ?


Obs.: Para que a obtenção da potência eólica seja próxima da realidade, devem-se incluir alguns conceitos de índice de aproveitamento e considerar os rendimentos dos equipamentos.


• O índice de aproveitamento de uma turbina eólica foi denominado de “Coeficiente de Potência” “Cp”, por Betz, cujo valor máximo teórico é 16/27. Com seus estudos, foi possível observar que apenas parte da potência dos ventos é aproveitada, visto que o vento atinge a turbina com velocidade “V”, mas possui uma velocidade após passar pela turbina. Isto indica que apenas parte da energia cinética do vento pôde ser aproveitada pela turbina.


• Obtido o “Cp”, devem-se incluir os rendimentos de todos os equipamentos envolvidos no sistema eólico, que são basicamente:

• n T – Rendimento da turbina;

• n M – Rendimento do multiplicador de velocidade;

• n E – Rendimento elétrico.

Logo, o rendimento total será:


• Desta forma, pode-se escrever a equação da potência incluindo na equação 6 o “coeficiente de potência” eólico “Cp” e o rendimento total “n Total”:

• EQUAÇÃO 7

POTÊNCIA EXTRAÍDA DO VENTO• Com a equação 7, pode-se determinar a potência

extraída do vento através dos parâmetros envolvidos.• Nas centrais eólicas, o que ocorre é o controle da

potência elétrica no aerogerador, que tem valores mínimo e máximo de operação.

• A velocidade abaixo de 4 m/s o conteúdo energético do vento não justifica aproveitamento.

• Velocidades superiores a aproximadamente 12 m/s, ativam um sistema automático de limitação de potência, que pode ser por controle de ângulo de passo das pás ou por estol aerodinâmico. A velocidade limite usual é de 25m/s, conforme se verá no Gráfico a seguir.


CURVA DE POTÊNCIA

PRINCIPAIS PARTES DE UM AEROGERADOR

• São constituídos basicamente por:1. Um rotor, ao qual estão acopladas as hélices

ou pás (que chegam a medir mais do que30 metros);

2. Uma torre de suporte, que tem entre 50 a 80 metros de altura;

3. Uma cabina, ou nacelle, na qual se encontra o gerador e outros dispositivos.

PRINCIPAIS PARTES DE UM GERADOR

ROTORES

• ROTORES DE EIXO VERTICAL1. Mudança de direção do vento → Não é

necessário nenhum ajuste → Turbinas estão alinhadas com o vento. (No entanto, precisa de um impulso do seu sistema elétrico para dar partida).

2. Em vez de uma torre, ela usa cabos de amarração para sustentação, pois assim a elevação do rotor é menor. Menor elevação → Menor velocidade do vento devido à interferência do solo → menos eficientes.

3. Todos os equipamentos encontram-se ao nível do solo que facilita a sua instalação. Área de base maior para a turbina → Desvantagem em áreas de cultivo.


ROTORES DE EIXO VERTICAL


• ROTORES DE EIXO HORIZONTAL1. Mais conhecidos e utilizados →Maior eficiência: Por causa da

melhor utilização do vento ou melhor aproveitamento em potência das forças de sustentação.

2. O seu maior custo é compensado pela sua eficiência.3. Estas precisam de se alinhar constantemente com o vento, usando

um mecanismo de ajuste – os motores elétricos e as caixas de engrenagens deslocam o rotor para a esquerda ou direita, o controlador eletrônico da turbina lê a posição do cata-vento e ajusta a posição do rotor para apreender o máximo de energia eólica.

4. Este tipo de turbina contém uma torre para alçar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (80 m), ocupando muito pouco espaço no solo.


ROTORES DE EIXO HORIZONTAL. O MAIS CONHECIDO CATAVENTO QUE PODE TER ATÉ 30% DE APROVEITAMENTO COM POUCO VENTO.

COMPONENTES DE UMA TURBINA DE EIXO HORIZONTAL



NACELLE:É o compartimento instalado no alto da

torre e que abriga todo o mecanismo do gerador, o qual pode incluir: caixa multiplicadora, freios, embreagem, mancais, controle eletrônico, sistema hidráulico.


• NACELLE EM GERADOR CONVENCIONAL


• NACELLE EM GERADOR MULTI-POLOS


PÁSCaptura energia do vento transmitido-a até

o cubo. Podendo dispor de sistemas de rotação ao redor de seu eixo longitudinal que permite o controle de potência gerada (controlo por ‘pich’).


CUBOBase de fixação das pás, transmite a energia

mecânica (rotacional), capturada pelas pás, ao eixo de baixa velocidade ao qual está acoplado.


EIXOResponsável pelo acoplamento do cubo ao

gerador fazendo a transmissão da energia mecânica a turbina.


PÁS

EIXO

CUBO


TRANSMISSÃO OU CAIXA MULTIPLICADORAResponsável por transmitir a energia

mecânica do veio principal ao veio secundário, convertendo a rotação baixa (10 a 60 RPM) e elevado momento torsor do rotor, em altas velocidades (1000 a 3000 RPM) e baixo momento torsor utilizado pelo gerador.


EIXO PRINCIPAL

EIXO SECUNDÁRIO

CAIXA DE ENGRENAGENS


GERADORConverte energia mecânica em elétrica,

adaptado para as flutuações de potência fornecida pelo rotor.


GERADOR


TORRENecessária para sustentar o rotor e

posicionar o rotor a uma altura conveniente de funcionamento. Podem ter alturas superiores a 80 m de altura. Destinam-se também a contrariar o torque imposto pela turbina em rotação.


MECANISMO DE CONTROLE OU SISTEMA DE CONTROLO

Destinam-se à orientação do rotor, controle de velocidade, controle de carga entre outras variáveis, uma das quais a velocidade mínima do arranque, perto de 6m/s, e a velocidade máxima de funcionamento, cerca de 25m/s. Podem ser mecânicos, aerodinâmicos ou eletrônicos.


MECANISMO DE CONTROLE

GERADORES

SINCRONOS: circuito de excitação independente ou usa ímãs permanentes.

ASSINCRONOS: São máquinas mais robustas, relativamente fáceis de construir, consequentemente mais baratas.O gerador assíncrono pode ter rotor gaiola de esquilo ou rotor bobinado.

Multiplicador de velocidades:Compensação da baixa velocidade da turbina.

𝑉=120 . 𝑓𝑝

V – velocidade angular (RPM)f – frequência da rede elétrica (Hz)p – número de pólos.

PRINCIPAIS CONFIGURAÇÕES E FORMAS DE CONEXÃO DE SISTEMA AEROGERADOR

1. Gerador conectado diretamente à rede elétrica (velocidade fixa):- Apresentam problemas com a qualidade de energia;- Variações de velocidade na turbina aparecem na - potência elétrica de saída;

- Simples, de baixa potência e com poucos pólos no rotor;

- Necessitam multiplicador;

2. Gerador conectado à rede elétrica através de conversor (velocidade variável);

- Torque constante;- Potência elétrica de saída praticamente constante;

- usam conversores eletrônicos para “isolar” as perturbações recebidas;

- O gerador síncrono com excitação independente pode controlar o fluxo de potência reativa através da excitação do circuito de campo;

- O conversor apresenta um grande impacto no custo, já que toda a potência do grupo passa para a rede através do conversor.

3. Gerador assíncrono conectado diretamente à rede elétrica com rotor bobinado duplamente alimentado (velocidade variável):

- Controle de velocidade é feito através de conversor conectado ao circuito do rotor;

- Necessita ser dimensionado para no máximo 30% da potência do gerador;

- Bidirecional (do rotor para a rede e da rede para o rotor);- Estator ligado diretamente à rede;- Mais usada (5MW);- Custo inicial baixo/robustez/eficiência.

4 - Gerador síncrono conectado à rede elétrica através de conversor sem multiplicador de velocidade (velocidade variável);

- Utiliza excitação independente ou rotor de ímãs permanentes;

- O gerador requer grande número de pólos; - O custo inicial é elevado e necessita de filtros para evitar a poluição da rede através dos harmônicos provenientes do conversor.

As máquinas síncronas com ímãs permanentes apresentam um alto rendimento, mas ainda não estão comercialmente disponíveis para potências.

O gerador de rotor bobinado possibilita uma economia em torno de R$190.000,00 para potências de central eólica a partir de 500kW.

A melhor configuração a ser usada numa central eólica moderna, econômica e de grande porte, sem dúvidas é o gerador assíncrono duplamente alimentado.

Potência do gerador:a) V – Velocidade nominal do vento de geração [m/s];V=12 m/s

b) D – Diâmetro das pás do rotor [m]; D = 120 m

c) d – Densidade do ar no local [kg/m3];d = 1,225 kg/m3.

d) n T– Rendimento da turbina;n T= 0,675

e) n M– Rendimento do multiplicador de velocidade; n M= 0,95f) n E– Rendimento elétrico;n E= 0,8

𝒏𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍=𝒏𝑻 .𝒏𝑴 .𝒏𝑬

𝑷=𝒏𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 .𝑪𝒑 .𝒅 .𝑫 .𝑽 ³

𝟐

P = 3.637,10 kW

Apresentação 06 08-2013

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