energia eólica

1. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica
Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -
- História
- Potencial eólico
- Categorização das turbinas eólicas
- Características das turbinas eólicas
- Construção de turbinas eólicas

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Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica

3. Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão
Fontes renováveis ​​de energia – Energia Eólica
Mapa Mundial – Pressão do Ar e Vento em Julho
• Movimento dos ventos e transporte de calor do equador para os pólos
• Desvio norte-sul das células de circulação (diferença na quantidade de radiação do
equador até +/-30 latitude devido a rotação do planeta (células Headley)
Pressão do Ar Velocidade do Vento
Fraco
Médio
Forte

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Mapa Mundial – Pressão do Ar e Vento em Janeiro
• Outras influências na geração de ventos são zonas pontuais de alta e baixa pressão
(movimento do vento por rotação em torno das áreas de baixa pressão)
• Condições das temperaturas próximas à região costeira e zonas montanhosas
Pressão do Ar Velocidade do Vento
Fraco
Médio
Forte

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Potencial Eólico Mundial
V < 3,6 m/s não utilizável
3,6 – 4,6 m/s utilizável
4,5 – 5,6 m/s bom
5,6 – 8,6 m/s muito bom

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Desenvolvimento do uso da energia eólica
• Primeiras aplicações em moinhos de vento simples para irrigação
ou em velas de balsas e barcos.
• Primeiros moinhos de vento com eixo vertical a partir do século XII
(fronteira entre Irã-Afeganistão, depois China).
• A partir do século XVI "Moinho de vento holandês" com rotação de
torre e pás eólicas.
• Direcionamento automático para captação do vento, ajuste do
ângulo das pás e limitação de potência, a partir do século XIX.
• Na Europa, a partir do século XIX , cerca de 250 mil moinhos de
vento ou turbinas eólicas com rotores de até 25 m diâmetro e uma
potência entre 25-30 kW.
• Primeira Turbina eólica de grande porte em 1941 nos EUA com
1.250 kW.
Desenvolvimento do Uso da Energia Eólica

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Usinas Eólicas Históricas
Moinho Persa
Westernmill para
bombeamento de
água
Moinho Holandês com
torre giratória

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A Técnica - 500 vezes mais geração de energia desde 1980
Rotor (diâmetro)
AlturaRotor
Potência
Rotor (diâmetro)
Altura Rotor
Geração Anual

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Maior Turbina do Mundo | Enercon 126 | 6 MW
Altura Rotor
126 m

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Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -
- História
- Potencial eólico
- Categorização das turbinas eólicas
- Características das turbinas eólicas
- Construção de turbinas eólicas

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Altura do Equipamento: Cada metro conta!
Altura da Turbina Eólica (m)
Velocidade Horizontal
do Vento (m/s)

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Diferentes Alturas: Potências iguais – produção muito maior!
Altura Rotor
Altura Total
Potência Nom.
Diâmetro Rotor
Produção anual
Altura Rotor
Carga Total

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Efeito Esteira em Parque Eólico

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Velocidade do Vento e Potencial Eólico
3
2
1
wAPWind ⋅⋅⋅= ρ
Temperatur
[°C]
-20 -10 0 10 20 30 40
Dichte
[kg/m³]
1,377 1,324 1,275 1,230 1,188 1,149 1,112
Estimativa Simplificada do
Potencial Eólico
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 4 8 12 16 20 30 40 50
Windgeschwindigkeit [m/s]
Windleistung[kW]
Densidade
Temperatura
PotencialEólico(kW)
Velocidade do Vento (m/s)
Onde:
P = potência média do vento
[W]
ρ = densidade do ar seco =
1,225 kg/m³
w = velocidade média do vento
[m/s]
A = área do rotor [m²]
Nota: Uma turbina de um aerogerador
moderno possui entre 25% - 40% de
eficiência (energia cinética-mecânica)

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Exercícios simplificados
Ex. 01:
Dados do Aerogerador:
Diâmetro do Rotor (m): 16
Velocidade média do vento [m/s]: 12
ρ = 1,225 kg/m³
Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40%
Resultados do Aerogerador:
Potência Instantânea (kW):
Potencial Mensal (kWh):
Potencial Anual (kWh):
Demanda atendida:
Sala de aula (A/C + iluminação):
3
2
1
wAPWind ⋅⋅⋅= ρ

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Exercícios simplificados
Ex. 01:
Dados do Aerogerador:
Diâmetro do Rotor (m): 16
Velocidade média do vento [m/s]: 12
ρ = 1,225 kg/m³
Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40%
Resultados do Aerogerador:
Potência Instantânea (kW): 85,121
Potencial Mensal (kWh): 62.138,16
Potencial Anual (kWh): 745.657,87
Demanda atendida:
Sala de aula (A/C + iluminação):
3
2
1
wAPWind ⋅⋅⋅= ρ
Ex. 02 – Utilize os dados do exercício
anterior:
1 – Estimar consumo médio do campus da
UNEMAT Sinop
2 – Calcular o diâmetro do rotor para atender a
demanda do campus
3 – Calcular o rotor de um aerogerador para
atender a demanda da própria residência com
velocidade média do vento no meio urbano de
Sinop na ordem de 3 m/s
4 – Calcular o rotor do aerogerador da
residência para atender o pico de demanda

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Energia Eólica -
- História
- Potencial eólico
- Categorização das turbinas eólicas
- Características das turbinas eólicas
- Construção de turbinas eólicas

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Categorização das turbinas eólicas – Rotores Verticais / VAWT
- Forma dos Rotores verticais

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Categorização das turbinas eólicas – Rotor Darrieus
Funcionamento de uma Turbina Eólica
de 4 MW de acordo com o princípio de
Darrieus
Local: Canadá
Altura: 96 m
Diâmetro: 64 m
Área vento: 64 m²
Diâmetro do mastro 5 m.
Velocidade média anual do vento a
700 km nordeste de Montreal: 9,2 m/s
Início de operação: ventos de 4,5 m/s,
Fim da operação: ventos de 22,5 m/s
Resistencia máxima: vento de 62 m/s

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Categorização das turbinas eólicas – Rotor Horizontal / HAWT
Esquema de uma turbina eólica com rotor
de eixo horizontal
Área
Rotor
Diametro
Rotor
Pá Rotor
Casa de
máquina com
transmissão e
Gerador
TorreAltura
Rotor
Vista Frontal Vista Lateral

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Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -
- História
- Potencial eólico
- Categorização das turbinas eólicas
- Características das turbinas eólicas
- Construção de turbinas eólicas

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0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20 25 30
Windgeschwindigkeit [m/s]
Leistungsbeiwertcp[1]
0
400
800
1200
1600
2000
2400
Leistung[kW]
Leistungsbeiwert cp [1]
Leistung [kW]
Nennwind-
geschwindigkeit
Abschaltwind-
geschwindigkeit
Auslegungswind-
geschwindigkeit
Anlaufwind-
geschwindigkeit
Enercon E 70:
Equipamento com potência
nominal de 2300 kW
Cut-in: Com ventos iniciais entre 2,5 - 4,5 m/s o freio do rotor é liberado e o aerogerador entra em operação.
Atinge o coeficiente máximo de potência máxima com ventos entre 6 – 10 m/s.
Velocidade Nominal do Vento (típico entre 10 - 16 m/s) o equipamento atinge sua potência nominal.
Cut-out: Para não sobrecarregar o gerador elétrico, o sistema é desativado quando o vento atinge velocidades entre 20 –
34 m/s.
Características do Sistema
Velocidade do Vento (m/s)
PotênciaNominal(kW)
CoeficientedePotênciacp(1)
Velocidade do Vento (m/s)
Coef. Pot. (1)
Pot. Nom. (kW)
Cut-in
Cut-out
Velocidade Nominal
do Vento
Cp
máximo

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Efeito Estol:
• A teoria mais simples e antiga, de Johannes Juul desenvolvida na década de 50 na Dinamarca
(conhecido também como conceito dinamarquês).
• As condições do fluxo do ar se alteram nas pás do rotor com a velocidade do vento
• A partir de 14 m/s se inicia a perda de eficiência aerodinâmica (Efeito Estol) e forte turbulência nas
pás do rotor.
• Este fenômeno aumenta com a velocidade do ar, limita e neutraliza o desempenho do equipamento
quanto a potência nominal.
Estol (Stall) – Perda de Eficiência / Sustentação
Vento Normal Vento Forte

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Conceito Pitch e Stall
Perda de eficiência aerodinâmica
Posição Stall Posição Pitch

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Aula Energias Renováveis
Energia Eólica -
- História
- Potencial eólico
- Categorização das turbinas eólicas
- Características das turbinas eólicas
- Construção de turbinas eólicas

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Escolha do Local – Classe de Rugosidade
A classe de rugosidade “0" pertence a áreas com água:mar e lagos.
A classe de rugosidade "1"caracteriza áreas abertas com poucos obstáculos para o vento. Isto aplica-se
a terrenos muito abertos e planos ou levemente acidentados:planícies,pistas de aeroportos,grandes
áreas sem árvores (arvores isoladas e de pequeno porte ou grupo de arbustos são desconsiderados).
A classe de rugosidade “2"identifica áreas que tenham fragmentos de obstáculo ao vento afastados por
no mínimo 1 km,inclusive casas individuais. A área é caracterizada por grandes espaços abertos,mas
com eventuais barreiras ao vento. O terreno pode ser plano ou montanhoso,com algumas árvores e
edifícios.
A classe de rugosidade “3"carcteriza pequenas vilas,florestas,áreas agrícolas com muitas árvores,
entretanto com fragmentos afastados no mínimo 100 m (cidades tem alto índice Zo).

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Para que seja realizado o transporte de turbinas eólicas muito
pesadas, as estradas rurais existentes normalmente tem que
ser reformadas / alargadas. A estrada é feita de areia, telas
metálicas / plásticas para estabilização e pedra brita. Às vezes,
essas estradas rurais são asfaltadas após a conclusão da
construção.
Infraestrutura

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Infraestrutura

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Devido as cargas laterais é
comum utilizar fundações
profundas para os
aerogeradores, por exemplo,
estacas. Essas estacas atingem
uma profundidade de 15 metros
e complementam o projeto de
fundações.
Sobre as estacas é contruído
um bloco de coroamento e uma
caixa de concreto armado.
Fundações

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Fundações

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O percurso da eletricidade até a edificação:
Exemplo (varia de acordo com o estudo
econômico): A turbina eólica produz corrente
continua a 400 V, converte na própria torre para
34,5 kV, a energia é conduzida para o
transformador elevador local que aumenta a
tensão para 230 kV. A eletricidade é transportada
aos centros consumidores mais próximos, passa
pelo transformador abaixador para distribuição
primária dentro da zona urbana (em 13,8 kV ou
34,5 kV), a eletricidade passa pelo transformador
de distribuição, onde a tensão é baixada para
127 ou 220 V para os consumidores nas
residências e comércios ou 220 e 380 V nas
industriais.
As turbinas eólicas são ligados entre si
e a uma subestação. Os cabos são
aterrados em valas com 150
centímetros profundidade .
Instalações Elétricas

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Transporte
Para o transporte de uma grande turbina eólica são
necessários, em média, sete caminhões de grande carga. O
transporte das pás do rotor é realizado em uma carreta
especial com 40 metros de comprimento. Por causa do
comprimento extra dos veículos e do excesso de peso o
transporte ocorre principalmente à noite e acompanhado por
veículos batedores e da polícia.

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Montagem
A torre de um aerogerador de grande porte é
constituída de três ou quatro partes. A parte inferior da
torre é parafusada na caixa de concreto armado das
fundações. O rotor com as pás são montadas no corpo
principal da casa de máquinas e posteriormente
transportado para o topo da torre com um guindaste,
onde a montagem é finalizada.

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Montage
Para a montagem dos aerogeradores são
utilizados 2 guindastes de grande porte. O
guindaste principal pesa 500 toneladas. Ele é
transportado desmontado em nove vagões
de trem de carga e montado novamente no
local da obra.

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Turbina eólica com transmissão

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Turbina eólica sem transmissão

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Do vento para a tomada!