ENERGIA EÓLICAProfa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas           Fundamentos e viabilidadeEscola Politécnica – Universi...
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CAPÍTULO 3          FUNDAMENTOS DA ENERGIA EÓLICA E TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO3-      Processo de conversão da energia eólic...
P = potência mecânica extraída pelo rotor    V1= velocidade do vento na entrada da turbina    V2= velocidade do vento na s...
Figura 3.2– Curva de Cp (máximo eficiência teórica) em função da velocidade do                                    vento[De...
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Como a velocidade do vento varia instantaneamente, para manter a turbina trabalhando na suaeficiência máxima que resulta n...
Potência (Watts)                                           P2 max                                     P1max               ...
Figura 3.7 – Modelos de turbinas de eixo horizontal [Boyle, 2002]As turbinas de eixo vertical captam a energia dos ventos ...
Figura 3.8 – Rotor tipo Darrieus [Boyle, 2002]                                                 ]Vários outros tipos de rot...
torre mais alta. Cada metro de torre obviamente custa dinheiro, assim sendo a otimização da alturada torre é função:   1- ...
de vento. Um gerador de grande capacidade, naturalmente requer mais potência (ventos fortes)para funcionar. Se instalarmos...
Figura 3.10- Espaçamento ótimo das turbinas em um terreno plano [Patel. 1999)]Os aerogeradores são classificados também po...
4-   SISTEMA EÓLICO PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADEHá uma variedade de máquinas que foram projetadas ao longo dos anos no int...
Figura 4.1- Detalhes de um aerogerador de eixo horizontal[Macedo,2002]4.1 Principais componentes do sistemaA seguir aprese...
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Também possuem uma classificação conforma posição das pás na torre em “turbinas à montante”A figura 4.3 mostra estes dois ...
possuem uma razão de velocidade ótima duas vezes maior. Razões de velocidade ótimas dasturbinas modernas variam entre 6 a ...
Tipos de cargas: forças atuantes        -   Estática (cargas não rotativas): cargas constantes eu incidem na estrutura não...
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Torque                        Operação como                                       motor                                   ...
Os geradores elétricos usados em turbinas eólicas fornecem energia em tensões entre 380V e 690Volts trifásica. Devido ao s...
devem ser simples e de baixo custo e, portanto normalmente não empregam sistemas sofisticadosde controle.São vários os mec...
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Reforçando o que já foi descrito, o valor de Cp varia com a razão entre a velocidade de ponta depá e velocidade do vento, ...
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Pelétrica = Protor × ηOnde η é o produto do rendimento do multiplicador de velocidade, gerador elétrico e demaisacessórios...
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4.1.11 Sistema de controle    O propósito de um sistema de controle em uma turbina’/fazenda eólica é gerenciar de formaseg...
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  1. 1. ENERGIA EÓLICAProfa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas Fundamentos e viabilidadeEscola Politécnica – Universidade de São Paulo técnico-econômica Parte 2
  2. 2. Sumário pg3- Processo de conversão da energia eólica em energia elétrica3.1 Potência extraída do vento3.2 Classificação das turbinas eólicas4- Sistema eólico para geração de eletricidade4.1 Principais componentes do sistema4.1.1 Suporte estrutural (torre)4.1.2 Pás4.1.3 Caixa de multiplicação4.1.4 gerador elétrico4.1.5 Mecanismo de controle4.1.6 Aerodinâmica da tirbina4.1.7 Sistema de segurança4.1.8 Equipamentos elétricos ancilares4.1.9 Conversores4.10 Filtro de harmônicos4.11 Sistema de controle 2
  3. 3. CAPÍTULO 3 FUNDAMENTOS DA ENERGIA EÓLICA E TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO3- Processo de conversão da energia eólica em energia elétrica3.1 Potência extraída do ventoApenas uma parte da potência contida no vento é possível de ser extraída por uma turbina eólica eessa parte é quantificada pelo coeficiente de potência Cp, isto é, a relação entre a potênciapossível de se extrair do vento e a quantidade total de potência nele contida. Esta perda depotência (mostrada por Albert Betz em 1928) é devido as características aerodinâmicas da turbina.Segundo o físico Betz, a máxima fração de potência que pode teoricamente ser extraída dapotência do vento é de 16/27 ou 59,3%. A figura 3.1 mostra o perfil do vento aproximando eatravessando as pás de uma turbina de eixo horizontal. A1 A2 V0 Refr: Windpower.dk, 1998Figura 3.1 – Perfil do vento ao longo de sua trajetória pelas pás de uma turbina [4]V1 = velocidade do vento não perturbadoV0= velocidade do vento ao se chocar com as pásV2 = velocidade do vento após passar pelas pásV1>V0>V2Pela lei da continuidade de fluxo: .ρ1 A1V1 = ρ 2 A2V2 = mou seja, todo volume de ar que chega até as pás, delas têm que sair. Se a velocidade do ar émenor na saída, este ar ocupará uma área maior.A potência extraída dos ventos nas pás do rotor é a diferença entre a potência do vento que chegapela parte frontal da turbina e a potência contida no vento que deixa a turbina, vento este que saicom velocidade reduzida. A potência extraída do vento pode ser calculada pela seguinteexpressão: P = 1 2 { 2 m. V1 − V2 2 }onde: 3
  4. 4. P = potência mecânica extraída pelo rotor V1= velocidade do vento na entrada da turbina V2= velocidade do vento na saída da turbina m = massa de ar por segA massa de ar que passa através da turbina é obtida multiplicando a densidade pela velocidademédia. Ou seja: Massa de ar / seg = ρ . Volume de ar / seg V1 + V2 Massa de ar / seg = ρ . A . L/seg = ρ.A. 2 Substituindo na equação acima, a potência extraída do vento nas pás do rotor é expressa por: 1 (V1 + V2 ) 2 ( ) ρ.A 2 P = . V1 − V2 2 2  Rearranjando algebricamente a equação acima:    V2  2  V2  1 +  V  1 −       1  1    V1     P = ρ . A.V13 2 2 A potência extraída da turbina é comumente expressa pela seguinte expressão:    V2  2  V2  1 +   1 −       1  V1    V1     P = .ρ . A.V1 .C p 3 sendo C p = 2 2Cp com mencionado acima é denominado como ‘coeficiente de potência” ou eficiência do rotor ouseja, traduz a quantidade de potência aproveitada no eixo do rotor. O restante é desperdiçado novento que deixa as pás do rotor.O máximo valor teórico de Cp, denominado eficiência de Betz, é de 59,3%.A figura 3.2 mostra uma curva do coeficiente de potência (eficiência máxima teórica) em função davelocidade do vento. 4
  5. 5. Figura 3.2– Curva de Cp (máximo eficiência teórica) em função da velocidade do vento[Dewi,2002]Onde : ρ 3P = potência extraída do vento e, V1 A , potência contida no vento 2Verifica-se que se V1=V0=V2, significa dizer que nenhuma parcela de vento é interceptada pelaturbina e, portanto não haverá conversão de energia cinética em potência no eixo (P=0, Cp=0).Se V0=0, significaria dizer que todo o vento foi interceptado pelas pás, o que também redundariaem nenhuma transformação de potência.A eficiência teórica máxima (59,3%) é obtida quando V0 = 2/3 V1Na prática, são conseguidas eficiências inferiores que dependem do perfil aerodinâmico das pás,número de pás, rotação da esteira atrás do rotor, entre outros parâmetros de projeto do rotor. Aeficiência do rotor não é constante e é função da velocidade específica RV (razão entre avelocidade tangencial, na ponta da pá, e a velocidade do vento incidente).A figura 3.3 mostra a influência da rotação da esteira formada pela rotação do rotor. Estecomportamento do vento depende da velocidade de ponta das pás e se caracteriza como umaturbulência que aliada a menor velocidade do vento após passar pela turbina, além de interferir naeficiência aerodinâmica da turbina, exige que a turbina instalada a jusante, mantenha uma certadistância mínima para não ter a sua produção de energia prejudicada. 5
  6. 6. http://www.windpower.dk/tour Figura 3.3 – Interferência da esteiraA razão da velocidade de ponta de pá ou velocidade específica é calculada pela seguinteexpressão: ωR RV= λ = V 1Onde: ω é a velocidade angular do rotor em rad/seg, R é o raio máximo da pá, V1 a velocidade dovento não perturbado, ωR a velocidade tangencial na ponta da pá (metros/seg)A configuração geral do sistema eólico determinado conforme o tipo de aplicação e potência é quevai nos indicar o tipo de rotor e gerador ideal para ser utilizado. O rendimento dos mesmos éfornecido pelo fabricante.O gráfico mostrado a seguir (figura 3.4 ), relaciona o coeficiente de potência com a razão develocidade de ponta para diferentes tipos de turbinas. Figura 3.4 – Eficiências aerodinâmicas dos diversos tipos de rotores (Fadigas, 1993]Pegando como exemplo a curva de eficiência da turbina tipo hélice na figura 3.4, observa-se que,para uma determinada velocidade de vento, existe um único valor de RV ou velocidade angularque fornece uma eficiência máxima. A partir deste valor, a eficiência inicia sua queda, tendo emvista que a turbina não consegue extrair mais potência do vento (função do projeto aerodinâmico). 6
  7. 7. Como a velocidade do vento varia instantaneamente, para manter a turbina trabalhando na suaeficiência máxima que resulta na potência máxima, é necessária uma atuação do sistema decontrole, variando a velocidade angular de tal modo que o valor de RV seja continuamente igual aovalor que fornece a máxima potência. O RV para extração da máxima potência é deaproximadamente 1 (um) para turbinas multi-pás e de baixa rotação até valores próximo a 6 (seis)para as modernas turbinas, de três e duas pásPodemos também definir a potência mecânica no eixo da turbina como potência rotacional. Potência (P) = Torque (T) (Newton-metro). Velocidade angular (w)A mesma potência pode ser transferida com grande torque e pequena velocidade ou pequenotorque e grande velocidade. As características torque-rpm do rotor devem combinar-se com ascaracterísticas de torque-rpm da carga.A figura 3.5 mostra uma curva típica de torque versus velocidade angular do rotor para duasvelocidades de vento V1 e V2, com V2 maior que V1. Verifica-se que o torque é baixo paravelocidade angular igual a zero, aumentando até um valor máximo caindo novamente quando orotor apenas flutua com o vento.A figura 3.6 mostra a curva de potência correspondente. Como a potência mecânica é o produto dotorque pela velocidade angular, a potência é nula quando a velocidade do rotor é igual a zero equando a velocidade angular é elevada e o torque nulo. A potência máxima é obtida a umavelocidade do rotor situada entre os pontos P1max e P2max para as velocidades V1 e V2respectivamente. Observa-se que a velocidade na qual ocorre a potência máxima não é a mesmavelocidade na qual ocorre o torque máximo. Torque Nm T2max T1 max V2>V1 V1 Rad/segFigura 3.5 – Torque de uma turbina eólica versus velocidade do rotor para velocidades devento V1 e V2 7
  8. 8. Potência (Watts) P2 max P1max Rad/segFigura 3.6 – Potência de uma turbina eólica versus velocidade do rotor para velocidades devento V1 e V2A estratégia ótima de operação é controlar a carga no gerador elétrico, ajustando a velocidade dorotor, de tal forma que o sistema opere, para cada velocidade de vento, no seu ponto de máximapotência. A teoria e experiência com turbinas indicam que a operação com velocidade variávelpermite a obtenção de 20 a 30% mais de energia com relação à operação com velocidade fixa.3.2 Classificação das turbinas eólicas As turbinas eólicas modernas podem ser classificadas de acordo com a orientação do eixo dorotor em relação ao solo em: verticais e horizontais.Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns e grande parte da experiência internacional estávoltada para a sua utilização. São predominantemente movidos por forças de sustentação (atuamperpendicularmente ao escoamento) e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o discovarrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Possuem duas ou mais pásdependendo de sua aplicação. Turbinas de múltiplas pás são normalmente utilizadas em fazendaspara bombeamento de água. Para geração de eletricidade os rotores tipo hélice são os maisutilizados. Normalmente compostos de três pás ou em alguns casos 1 ou 2 pás. Largamenteempregados na produção de eletricidade por possuírem eficiências superiores às dos demaismodelos. Por possuírem baixos torques de partida, só operam com velocidades de ventoselevadas. A figura 3.7 apresenta alguns modelos de turbinas tipo hélice de eixo horizontal. 8
  9. 9. Figura 3.7 – Modelos de turbinas de eixo horizontal [Boyle, 2002]As turbinas de eixo vertical captam a energia dos ventos sem precisar alterar a posição do rotorcom a mudança na direção dos ventos. Podem ser movidos por forças de sustentação e por forçasde arrasto. Os principais tipos de rotores de eixo vertical são o Darrieus, Savonius e turbinas comtorres de vórtices.Podemos destacar o rotor Darrieus (figura 3.8). Movido por força de sustentação, é constituídode duas ou três pás (lâminas curvas) construídas em um perfil aerodinâmico de aerofólio simétrico.Possui eficiência um pouco menor do que a do rotor tipo hélice e sua principal desvantagem estána necessidade de já estar em movimento para produzir potência. É empregado em aplicaçõesque requerem baixas potências (até 50 kW). Como vantagem, não requer mecanismos paracontrole de guinada, pois se auto-direciona na direção dos ventos; a estrutura de suporte dosequipamentos é mais simples, permitindo a instalação dos mesmos próximo ao solo o que facilita amanutenção. Como desvantagem, requer normalmente uma ancoragem da torre no solo, o quelimita sua aplicação principalmente em projetos off-shore; para altas velocidades de vento, ocontrole da potência não pode ser feito facilmente apenas mudando o ângulo de passo das pás. 9
  10. 10. Figura 3.8 – Rotor tipo Darrieus [Boyle, 2002] ]Vários outros tipos de rotores foram desenvolvidos e são empregados em menor escala e comoutras finalidades como para o bombeamento de água. Podemos destacar o rotor Savonius,Moinhos de Vento, entre outros. A figura 3.4 mostra a eficiência arodinâmica destes tipos deturbinas.Na fabricação das pás pode ser utilizado madeira ou composto de fibra de vidro e epóxi ambosmateriais de alta densidade. Grande parte das pás dos rotores das modernas turbinas de grandeporte é feita de fibra de vidro reforçada com epóxi ou poliéster. Também o aço e alumínio podemser utilizados. Porém, apresentam problemas de peso e fadiga respectivamente. Pás de madeira,alumínio e aço são normalmente usadas em turbinas de pequeno porte.As modernas turbinas possuem duas ou três pás. O stress mecânico devido as forças centrífugas efadiga sofrida pelo material sob condições de vibração contínua, faz com que o projeto das pásseja o elo mecânico mais fraco do sistema. Esforços extensivos têm sido feitos no intuito de evitaras falhas por fadiga prematura nas pás.Os sistemas de pequeno e médio/grande porte têm filosofias de projeto diferentes. As pequenasturbinas são normalmente instaladas em torres com alturas bem superiores aos seus diâmetros eque são normalmente estaiadas, enquanto as grandes/médias turbinas tendem a otimizar aeficiência termodinâmica para capturar a máxima quantidade de energia.Logicamente, os fabricantes, irão observar a distribuição de vento e seu conteúdo energético nasdiferentes velocidades para determinar a combinação ideal entre tamanho de rotor e potência dogerador em diferentes plantas. A instalação de turbinas com dois ou mais geradores pode emalguns casos ser uma vantagem dependendo do preço da eletricidade.O preço de uma torre normalmente corresponde a 20% do preço total de uma turbina. Portanto éimportante construir torre numa altura a mais ideal (otimizada) possível. Obviamente, se obtémmais energia de uma turbina maior do que uma menor. Naturalmente, não se pode instalar umrotor de 60 metros numa torre de menos de 30 metros. Porém, se consideramos o custo de umrotor de grandes dimensões, um gerador de alta potência e caixa de engrenagem, será umdesperdício colocá-los numa torre baixa, tendo em vista que se obtém mais energia usando uma 10
  11. 11. torre mais alta. Cada metro de torre obviamente custa dinheiro, assim sendo a otimização da alturada torre é função: 1- custo por metro de torre 2- perfil da variação da velocidade do vento com a altura (rugosidade do terreno) 3- preço da energia gerada função dos kwh adicionais geradosComo verificado na seção anterior, a potência extraída de uma turbina depende do quadrado dodiâmetro das pás e do cubo da velocidade do vento. Uma turbina que fornece uma potência de300kW a 7m/s produzirá 450 kW a 8m/s. Como definir a potência nominal da turbina?Alguns fabricantes têm adotado um índice que relaciona a capacidade do gerador elétrico com odiâmetro da turbina, denominado capacidade nominal específica (CNE), definido como segue: CNE = potência nominal do gerador elétrico Área do rotorPor exemplo para uma turbina de 300/30, o CNE seria de 300 / π .15 = 0,42 kW/m2. A capacidade 2nominal específica da turbina aumenta com o diâmetro das pás, resultando numa economia deescala para as grandes turbinas. O CNE varia entre 0,2 kW/m2 para diâmetro de 10m e 0,5 kW/m2para diâmetro de 40 m podendo alcançar valores próximos a 1kW/m2. Portanto, o projetista deveselecionar a potência nominal da turbina combinando as características de desempenho desta comas do gerador elétrico. Como a potência dos diversos componentes existentes no mercado varia deforma discreta, não é tão simples assim chegar ao melhor projeto, necessitando fazer váriasiterações para encontrar um equilíbrio entre custo e os benefícios advindos das várias velocidadesde projeto. Selecionar uma turbina com velocidade nominal baixa resulta em perdas de energia naocorrência de ventos de alta intensidade. Por outro lado, turbinas com velocidades nominaiselevadas, resultarão em baixas eficiências na ocorrência de ventos de baixa intensidade.A figura 3.9 dá uma idéia do tamanho dos rotores utilizados nas turbinas eólicas. Uma turbinatípica usando um gerador de 600kW irá tipicamente possuir um rotor de 44 metros. Se dobrarmos odiâmetro do rotor, teremos uma área quatro vezes maior, significando que obteremos quatro vezesmais energia.Figura 3.9 – Tamanhos de diâmetros de turbinas [http://www.windpower.dk/tour] ]No entanto, diâmetros de rotores podem apresentar valores diferentes dos apresentados na figuraacima, tendo em vista que os fabricantes otimizam suas máquinas em função das condições locais 11
  12. 12. de vento. Um gerador de grande capacidade, naturalmente requer mais potência (ventos fortes)para funcionar. Se instalarmos uma turbina numa área de ventos fracos, maximizaremos aprodução de energia usando um gerador pequeno para um dado tamanho de rotor (ou um rotorde grande porte para um dado gerador). Para uma máquina de 600 kW o diâmetro do rotor podevariar entre 39 a 48 metros. A razão de obtermos mais potência de um gerador relativamentemenor em áreas de menores velocidades de vento é a de que a turbina irá funcionar mais horaspor ano.Razões para escolher turbinas de grande porte 1- Economia de escala: máquinas de grande porte geram energia a um menor custo comparado às turbinas de menor porte. A razão disso é que o custo das fundações, estradas, conexão à rede elétrica, mais um número de componentes da turbina (controle eletrônico etc) muitas vezes independem do tamanho da turbina. 2- Máquinas de grande porte são mais adequadas em aplicações offshore. O custo da fundação não aumenta na proporção do tamanho das turbinas, e os custos de manutenção são largamente independentes do tamanho da turbina. 3- Em áreas onde é difícil encontrar locais para instalação de mais de uma turbina, uma turbina de grande porte instalada em uma torre alta usa o recurso existente de forma mais eficiente.Razões para escolher turbinas de pequeno porte 1- A rede local pode ser fraca para acomodar turbinas de grande porte. É o caso de áreas remotas, com baixa densidade populacional e conseqüentemente baixo consumo. 2- Há menor flutuação na eletricidade gerada por um parque formado por pequenas turbinas, visto que flutuações ocorrem aleatoriamente e tendem a se cancelar. 3- O custo da utilização de grandes guindastes e construção de estradas reforçadas para carregar os componentes das turbinas faz com que pequenas turbinas sejam mais econômicas em certas áreas. 4- Diversas máquinas de pequeno porte diluem o risco em caso de uma falha temporária 5- Considerações estéticas podem algumas vezes ditar o uso de máquinas pequenas. No entanto, turbinas de grande porte possuem velocidade rotacional mais baixa, significando que uma grande máquina não atrai tanta atenção quanto várias máquinas pequenas que giram mais rápido.Numa fazenda eólica, composta por uma série de turbinas, recomenda-se que as turbinasposicionadas na direção do vento prevalecente sejam espaçadas em uma distância de 8 a 10vezes o diâmetro, e entre 1,5 a 3 vezes o diâmetro para turbinas na direção perpendicular àdireção prevalecente do vento. A figura 3.10 mostra o modo ideal de instalação. Este espaçamentoé necessário tendo em vista a alteração da velocidade e perfil do vento quando o mesmo deixa aturbina. Se o espaçamento for muito reduzido, a turbina a montante funciona como um obstáculoprejudicando o funcionamento da turbina situada imediatamente atrás. 12
  13. 13. Figura 3.10- Espaçamento ótimo das turbinas em um terreno plano [Patel. 1999)]Os aerogeradores são classificados também por tamanho (altura e diâmetro das pás) e porpotência instalada (potência nominal); de um modo geral são divididos em pequenos, médios egrandes. As tabelas 1 e 2 apresentam respectivamente, a classificação quanto a potência etamanho. Tabela 1 - Relação de tamanho e potência instalada Tamanho Potência Instalada Pequeno Até 80 kW Médio De 81 a 500 kW Grande > 500 kW Tabela 2 - Relação tamanho e área do rotor Tamanho Diâmetro (m) Área do Rotor ( m2) Pequeno Até 16 metros Até 200 Médio 16m à 45m 200 à 1600 Grande > 45 m > 1600 13
  14. 14. 4- SISTEMA EÓLICO PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADEHá uma variedade de máquinas que foram projetadas ao longo dos anos no intuito de aproveitarao máximo a energia contida nos ventos. As máquinas modernas são referidas como turbinaseólicas ou sistemas de conversão de energia eólica para distinguir das máquinas tradicionais.As modernas turbinas eólicas, em grande parte são equipamentos utilizados para gerareletricidade. Variam desde pequenas turbinas para produzir potências na ordem de dezenas oucentenas de kW, utilizadas principalmente em áreas rurais, até turbinas consideradas de grandeporte que produzem potências na ordem de alguns MW e que normalmente estão interconectadasà rede elétrica.Basicamente um sistema eólico é composto pelos seguintes componentes: • Torre • Pás e rotor • Caixa de engrenagens • Gerador elétrico • Sistema de controle • Sistemas de freios • Sensores • Sistema eletrônico de potência para conexão à rede • naceleA figura 4.1 apresenta os detalhes de um aerogerador de eixo horizontal. 14
  15. 15. Figura 4.1- Detalhes de um aerogerador de eixo horizontal[Macedo,2002]4.1 Principais componentes do sistemaA seguir apresenta-se um detalhamento da função de cada componente.4.1.1 Suporte estrutural – TorreA torre é o componente projetado para suportar a turbina e a nacele que contém no seu interior acaixa de engrenagens, gerador elétrico e demais componentes responsáveis pelo funcionamentodo sistema gerador.As torres podem ser de três tipos: treliçadas, tubulares estaiadas e tubulares livres. Os materiaisempregados são o concreto e o aço. Para turbinas eólicas pequenas e médias, as torres são na 15
  16. 16. sua grande maioria de aço, as grandes turbinas já utilizam normalmente estrutura de concreto. Afigura 4.2 apresenta um modelo de torre treliçada, tubular e estaiada..Deve-se ter um cuidado especial no projeto da torre para evitar que flutuações no ventoprovoquem vibração da mesma . Tubular treliçada estaiada Figura 4.2. - Tipos de torres [http://www.windpower.dk/tour; Boyle, 2002 ]41.2 Pás As turbinas eólicas modernas podem ser classificadas de acordo com a orientação do eixo dorotor em relação ao solo em: verticais e horizontais, conforme mostrado nas figuras 3.7 e 3.8 eexplicado acima. 16
  17. 17. Também possuem uma classificação conforma posição das pás na torre em “turbinas à montante”A figura 4.3 mostra estes dois tipos de turbinas. e “turbinas a jusante “a montante” “a jusante” Figura 4.3 – Classificação das turbinas conforme posição das pás na torre[http://www.windpower.dk/tour]Efeito do número de pásOs principais fatores que permeiam a escolha do número de pás de uma turbina são: • O efeito no coeficiente de potência (Cp) • A especificação da razão de velocidade • custo • O peso da nacele • A estrutura dinâmica • Os meios de limitar a taxa de guinada (Yaw) para reduzir a fadiga giroscópicaO número de pás é visto em função da solidez das mesmas. A solidez é definida como a fraçãosólida da área varrida pelas pás do rotor.Com o intuito de extrair energia de forma eficiente, a interação das pás como o vento deve ser amáxima possível. Turbinas de múltiplas pás, ou seja, elevada solidez, interagem com o vento auma baixa razão de velocidade (RV), enquanto as turbinas de poucas pás, ou seja baixa solidez,giram mais rapidamente para virtualmente preencher a área varrida pelas pás, para interagir com amaior parte possível do vento incidente. Se a razão de velocidade é muita baixa (RV= Razão entrea velocidade na ponta da pá e velocidade do vento não perturbado), uma parcela do ventoincidente passa através das pás sem interagir com as mesmas; por outro lado, se a razão develocidade é alta, a turbina oferece muito mais resistência ao vento, de tal forma que uma parcelado vento desvia para o entorno .Turbinas de duas pás com a mesma solidez das turbinas de três pás terá uma razão de velocidadeótima 1/3 maior. Turbinas com apenas uma pá com a mesma solidez de turbinas de duas pás 17
  18. 18. possuem uma razão de velocidade ótima duas vezes maior. Razões de velocidade ótimas dasturbinas modernas variam entre 6 a 20.Na teoria, quanto maior o número de pás, mais eficiente é o rotor. Todavia, grande número de páspode interferir umas com as outras, assim sendo, turbinas de elevada solidez tende a ser menoseficientes dos que as de baixa solidez.Comparando a eficiência das turbinas de uma, duas e três pás, esta última possui a maioreficiência. Razões tais com maior estabilidade, menor velocidade rotacional para uma mesmaprodução de energia, menor ruído, sistema menos complexo para absorver shocks do rotor com aturbina, fazem com que turbinas de três pás sejam as mais usadas na atualidade.Turbinas com alta taxa de solidez, elevado número de pás, fornecem maior torque na partida eopera a baixa velocidade, como é o caso das turbinas multipas utilizadas no bombeamento deágua. Para geração de eletricidade, as turbinas de duas ou três pás são as mais utilizadas, poispossuem baixa solidez, ou seja, trabalham com velocidades elevadas, mais próximas davelocidade de rotação do gerador elétrico.O modelo de uma turbina não é ditado apenas pela tecnologia, mas por uma combinação detecnologia e custo. Fabricantes de turbinas eólicas desejam otimizar suas máquinas, de tal modoque o custo da eletricidade gerada seja a menor possível.Muitas vezes, não há necessidade de maximizar a produção anual de energia, se isto significarusar turbinas de elevado custo. Um gerador pequeno (poucos kWs) necessita menos força paragirar do que um gerador de maior porte. Se instalarmos uma turbina de elevada potência com umgerador de pequena potência, será produzida eletricidade durante muitas horas no ano, noentanto, será capturado um pequena parte da energia do vento quando este soprar em altasvelocidades.Um gerador de maior potência, por outro lado, será muito eficiente na incidência de ventos fortes,mas incapaz de funcionar com ventos de baixa velocidade.Logicamente, os fabricantes, irão observar a distribuição de vento e seu conteúdo energético nasdiferentes velocidades para determinar a combinação ideal entre tamanho de rotor e potência dogerador em diferentes plantas. A instalação de turbinas com dois ou mais geradores pode emalguns casos ser uma vantagem dependendo do preço da eletricidade.O preço de uma torre normalmente corresponde a 20% do preço total de uma turbina. Portanto éimportante construir torre numa altura a mais ideal (otimizada) possível. Obviamente, se obtémmais energia de uma turbina maior do que uma menor. Naturalmente, não se pode instalar umrotor de 60 metros numa torre de menos de 30 metros. Porém, se consideramos o custo de umrotor de grandes dimensões, um gerador de alta potência e caixa de engrenagem, será umdesperdício colocá-los numa torre baixa, tendo em vista que se obtém mais energia usando umatorre mais alta. Cada metro de torre obviamente custa dinheiro, assim sendo a otimização da alturada torre é função: 4- custo por metro de torre 5- perfil da variação da velocidade do vento com a altura (rugosidade do terreno) 6- preço da energia gerada função dos kwh adicionais geradosFatores que devem ser considerados em um projeto de turbinas eólicas: - produção de energia - vida útil ( função do tipo de forças atuantes) - custo 18
  19. 19. Tipos de cargas: forças atuantes - Estática (cargas não rotativas): cargas constantes eu incidem na estrutura não móvel - Cargas fixas (rotativas): cargas não variam com o tempo, porém, a estrutura está se movendo. - Cargas cíclicas: variam com o tempo. Acontecem devido a conjunção de fatores como: peso das pás, efeito de sombreamento e movimento de guinada. - Cargas transitórias: aparecem em resposta a um evento externo temporário - Cargas impulsivas: cargas que variam com o tempo (relativamente curto), mas de elevada magnitude . Posição das torres com relação às pás. - Cargas estocásticas: cargas que variam com o tempo (cíclicas, transitórias e impulsivas) - Cargas ressonantes induzidas : cargas cíclicas resultantes da resposta dinâmica de algumas partes da turbinaFontes de cargas: - Aerodinâmicas: aparecem com ventos de alta velocidade interferindo na estrutura dinâmica e gerando fadiga - Gravidade: importante fonte de cargas nas pás de grandes dimensões - Interações dinâmicas: forças gravitacionais e aerodinâmicas induzem cargas em outras partes das turbinas - Controle mecânico: Ex: aplicação de freios para parar a turbina pode gerar cargas ao longo da estrutura4.1.3 Caixa de multiplicação (Transmissão)É o mecanismo que transmite a energia mecânica do eixo do rotor ao eixo do gerador. Os rotoresmodernos operam a velocidades de ponta (tangenciais) da ordem de 60 a 100 m/s, quaseindependente do tamanho do diâmetro. Assim, em virtude de questões mecânicas (vibração eempuxo) a velocidade de rotação do rotor da turbina eólica deve ser limitada entre 15 a 200 RPMPara geração, alguma forma de multiplicação de velocidade é necessária, pois os geradores noatual estado da arte, conectados à rede de distribuição elétrica, possuem uma rotação, tipicamentede 1800 rpm (4 pólos) ou 3600 rpm (2 pólos) para freqüência de 60Hz. A transmissão maisamplamente utilizada é a por engrenagens, que tem como finalidade multiplicar a velocidadeangular com o intuito de melhor aproveitar as características do gerador. As configurações maismodernas tendem a eliminar as caixas de engrenagens e utilizar geradores multipólos de baixavelocidade e grandes dimensões.O que se deseja é transferir toda potência do eixo de baixa rotação para o eixo de alta rotaçãoonde está acoplado o gerador elétrico. A figura 4.4. mostra um modelo simplificado desta relaçãoA potência é igual:Q1Ω1 = Q2 Ω 2A razão entre as velocidades das duas engrenagens Ω1 / Ω 2 , é inversamente proporcional aonúmero de dentes de cada engrenagem , N1/N2 . Este último proporcional ao diâmetro daengrenagem. 19
  20. 20. Ω1 N 2 J – inércia = K – rigidez Ω 2 N1 n – razão entre as velocidades dos eixos 1 e 2 – engrenagens k1 Q – torque rotaçãoJ1 1 k2 n J2 Figura 4.4 - Sistema de engrenagem [Manwell,2002] As figuras 4.5 mostram respectivamente os dois tipos de sistemas de engrenagens utilizados em turbinas eólicas, eixos paralelos e planetário. No sistema de engrenagens do tipo eixos paralelos, engrenagens são montadas em dois ou mais eixos paralelos. Num sistema de um único estágio, existem dois eixos, um de baixa velocidade ( acoplado ao rotor) e outro de alta velocidade (acoplado ao gerador elétrico). Há duas engrenagens, uma em cada eixo. O sistema planetário, os eixos de entrada e saída são coaxiais. Há múltiplos pares de engrenagens. (a) (b) Figura 4.5 – Sistema de transmissão por engrenagens tipo (a) eixos paralelos e (b) planetário (Manwell,2002 20
  21. 21. 4.1.4 Gerador elétricoÉ o componente que tem a função de converter a energia mecânica do eixo em energia elétrica.Essa conversão pode ser feita utilizando os seguintes tipos de geradores elétricos: • gerador de corrente contínua (CC), • gerador síncrono, • gerador de induçãoGerador CCO gerador CC até a década de 80 foi extensivamente utilizado, devido à extrema facilidade decontrolar a sua velocidade. Atualmente continua a ser utilizado, porém, limitado a turbinas de baixacapacidade, particularmente onde a energia elétrica pode ser localmente utilizada na forma CC.O gerador CC convencional, é auto-excitado através do uso de enrolamentos shunt ou série quefornecem tensão CC para produzir o campo magnético. Atualmente, tem se projetado gerador CCutilizando ímas permanentes para eliminar a dependência no fornecimento de corrente aoenrolamento de campo e desta forma o uso de comutador. Porém, o seu uso é limitado a máquinasde pequeno porte, abaixo de 100 kW. Com relação aos demais tipos de geradores, possui adesvantagem do seu alto custo e necessidades maior de manutenção.A figura 4.6 ilustra uma aplicação da turbina eólica usando gerador CC.Figura 4.6 – Turbina eólica com gerador CC alimentando diretamente cargas CC eindiretamente ligado a rede elétrica via conversor CC-CA ( Moraes,2004]Gerador síncronoO gerador síncrono é o mais utilizado na geração de energia elétrica. Funciona com velocidadeconstante associada à freqüência constante. Assim sendo, não é o mais adequado para trabalharcom operação em velocidade variável, típica de plantas eólicas, em função do comportamento dosventos. Requer corrente CC para excitação de campo e conseqüentemente escovas de carbono e 21
  22. 22. anéis deslizantes no rotor. Porém, esta exigência pode ser eliminada usando rotor de relutância,porém limitado a aplicações de baixa potência. Quando conectado à rede de energia daconcessionária, apresenta a vantagem de não requerer suprimento de potência reativa da mesma.Aplicação: • turbinas de grande porte conectadas as redes elétricas • conjunção com conversores eletrônicos em turbinas de velocidade variável • aplicações isoladas – usando imã permanente com aplicação CC • controle de tensão e fonte de potência reativa – redes isoladasVantagens: • melhor rendimento • não necessita de fonte externa de reativosDesvantagem: • necessita de equipamentos adicionais (reguladores de tensão e velocidade) para manter o sincronismo com a rede • maior custo (com relação ao geradores de indução)A maioria dos geradores elétricos possuem 4 ou 6 pólos, ou sejam trabalham com velocidadesaltas 1200 – 1800 RPM. A razão está na menor dimensão e peso e no menor custo.Na Califórnia, por exemplo, existem geradores eólicos síncronos conectados a redes de baixatensão. Nos últimos anos, com o aumento da potência das máquinas e conexão a redes de altatensão, tem se dado preferência ao uso de geradores assíncronos ou de indução como sãoconhecidos.Gerador de indução (assíncrono)A máquina de indução, particularmente o motor de indução, é o mais utilizado mundialmentedevido a sua construção robusta, facilidade de manutenção e baixo custo. Tem a vantagem comrelação aos demais tipos de geradores de não necessitar de excitação CC de campo, pois o seufuncionamento é baseado em indução eletromagnética. Necessita ser excitado com corrente AC. Ogerador pode ser auto-excitado ou receber excitação externa. Pelas suas inúmeras vantagens, ogerador de indução encontra hoje aplicações tanto em turbinas eólicas de grande como pequenoporte. Tendo em vista que o gerador de indução é o mais utilizado ultimamente, dedica-se umaatenção maior a esta tecnologia nesta seção.A estrutura eletromagnética de em gerador de indução é formada por duas partes: o estator, partefixa, onde espacialmente são alojadas as bobinas em grupos de três alimentadas com correntestrifásicas senoidais e, a parte móvel, denominada rotor, que se move no interior do estator, e quepode também possuir bobinas alojadas ao longo de sua estrutura, ou pode ser constituído porbarras de cobre ou alumínio curto-circuitadas em suas extremidades. Esta combinação produz umcampo magnético girante no interior do estator, cujo vetor indução magnética tem móduloconstante e se desloca com velocidade angular determinada pela maneira como estão distribuídase ligadas as bobinas no estator bem como pela freqüência da corrente que circula nosenrolamentos do mesmo.A figura 4.7 apresenta um desenho de um motor de indução tipo gaiola de esquilo (rotor feito debarras de cobre ou alumínio curto-circuitadas nas extremidades). O espaçamento entre o estator erotor denominado “entreferro”, é pequeno o suficiente para que o rotor possa girar livremente. A 22
  23. 23. necessidade de ambos, estator e rotor, serem constituídos de núcleos ferromagnéticos se prendeao fato de assim, ser possível obter fluxo de indução a partir de correntes relativamente pequenas.Figura 4.7 – Máquina de indução com rotor tipo gaiola de esquilo( Apostila de Eletrotécnica geral, PEA,]A velocidade do campo girante é denominada “velocidade síncrona” e é expressa pela seguinteequação: 60 f Ns = , onde Pf = freqüência da corrente de excitação dos enrolamentos do estatorP= número de pares de póloNs = velocidade do campo girante em RPMCaracterística do Torque-velocidade para gerador de induçãoQuando máquina de indução é acoplada a uma turbina eólica, e o seu rotor é acionado a umavelocidade maior que a velocidade síncrona, tem-se uma reversão na corrente induzida e notorque. A máquina de indução nestas condições trabalha como gerador, convertendo a potênciamecânica do eixo da turbina em energia elétrica, que é entregue à carga ou à rede elétrica pelosterminais do estator do gerador. Nestas condições diz-se que a máquina está trabalhando navelocidade de operação super-síncrona.Ao variarmos o escorregamento sob uma ampla faixa, obtermos a curva característica torque –conjugado mostrado na figura 4.8. Na região do escorregamento negativo, a máquina trabalhacomo gerador fornecendo energia à carga conectada aos seus terminais. Na região doescorregamento positivo, trabalha como motor fornecendo energia mecânica à carga acoplada aoseu eixo. Adicionalmente à região de trabalho como motor e gerador, a máquina de indução temainda um terceiro modo de operação denominado modo de frenagem. Se a máquina é operadacom S > 1, girando-a no sentido contrário, ela absorve potência mecânica sem disponibilizarpotência elétrica. Isto e, a máquina trabalha como um freio. A potência neste caso é convertida emperdas I2 × R nos enrolamento do rotor, que deve ser dissipado como calor, as correntes dereversão de Eddy trabalham neste princípio. Assim sendo, no caso de emergências, o geradorconectado à rede pode ser usado como freio revertendo a seqüência trifásica da voltagem nosterminais do estator. Isto inverte a direção de rotação do campo magnético com relação ao estator.O stress de torção nas pás e no cubo da turbina pode, todavia limitar o torque de frenagem. 23
  24. 24. Torque Operação como motor Operação como freio -0,5 0 0.5 1 1.5 Operação como geradorFigura 4.8 – Característica de operação da máquina de indução nos três modos de operaçãoUm outro tipo de motor/gerador de indução é o que possui bobinas alojadas no rotor, permitindoacesso as mesmas via escovas que deslizam em anéis conectados ax extremidades das bobinas.Tned acesso as bobinas, é possível controlar a velocidade/ecorregamento da mesma e outrospar6ametros característicos da máquina.O gerador de indução tem como vantagens o menor custo, por permitir a variação de velocidadesé mais apropriado para trabalhar com turbinas eólicas. Como desvantagem está na necessidadede uma fonte externa de reativos.Considerações chaves do ponto de vista do projetista a serem considerados para especificar umgerador elétrico. • Velocidade de operação • Eficiência em carga plena e parcial • Fator de potência e fonte de potência reativa • Regulação de voltagem (máquinas síncronas) • Método de partida • Corrente de partida (motores de indução) • Sincronização (máquinas síncronas) • Tamanho e peso • Tipo de isolamento • Proteção contra ambientes externos • Habilidade para acomodar flutuações de torque • Remoção de calor • Praticidade para uso de múltiplos geradores 24
  25. 25. Os geradores elétricos usados em turbinas eólicas fornecem energia em tensões entre 380V e 690Volts trifásica. Devido ao seu aquecimento necessitam de sistema de refrigeração que pode ser aar (ventiladores) ou água (necessita de radiador)4.1.5 Mecanismos de ControleAs turbinas eólicas são projetadas para fornecerem potência nominal de acordo com a velocidadedo vento prevalecente, ou seja, a velocidade média nominal que ocorre com mais freqüênciadurante um determinado período. Como estão previstas variações na velocidade nominal do vento,a turbina deve ser equipada com dispositivos que permitam limitar a potência e rotação para evitaresforços excessivos aos componentes mecânicos e/ou elétricos quando da ocorrência de ventosde elevadas intensidades e melhorar o rendimento em outras velocidades, aumentando o intervalode funcionamento do sistema eólico.Somente a partir de uma certa velocidade, chamada velocidade de partida ou entrada (cut-in),necessárias para vencer algumas perdas, o sistema começa a funcionar. À medida que avelocidade do vento aumenta, aumenta a produção de eletricidade atingindo a potência nominalquando o vento alcança a velocidade especificado nominal de projeto. Acima da velocidadenominal a potência é mantida constante. Para ventos de velocidade excessiva chamada velocidadede corte (cut-out) o mecanismo de proteção é acionado com a finalidade de desligar a turbina paraque não haja riscos ao rotor e à estrutura do sistema. Um sistema eólico tem o seu rendimentomáximo a uma dada velocidade do vento (chamada de velocidade de projeto ou velocidadenominal) e diminui para velocidades diferentes desta.Projetar um sistema eólico, para um determinado tamanho de rotor e para uma determinada cargasupõe trabalhar num intervalo ótimo de rendimento do sistema com relação à curva de potênciadisponível do vento local.A curva que descreve a quantidade de energia gerada em função da velocidade do ventodenominada “Curva de potência da turbina” é mostrada na figura 4.9. Cada tipo de turbina temsua curva de potência específica. Figura 4.9 - Curva de potência de um aerogerador de eixo horizontal [Fadigas, 1993]Atualmente, as turbinas de grande porte são projetadas para trabalharem com velocidade variável,aproveitando as características de variabilidade dos ventos, incorporando no controle a eletrônicade potência para controle de passo das turbinas e demais parâmetros. Projetos de pequeno porte 25
  26. 26. devem ser simples e de baixo custo e, portanto normalmente não empregam sistemas sofisticadosde controle.São vários os mecanismos de controle utilizados em sistemas eólicos, podendo-se destacar:Yaw control (guinada)O controle de guinada orienta o rotor na direção do vento. Constitui-se num excelente meio decontrolar a saída de potência da turbina. Turbinas que trabalham sem este mecanismo estãosujeitas à maiores cargas de fadiga. Grande parte das turbinas utiliza mecanismos de controle deguinada forçados, que são constituídos de motores elétricos e caixas de engrenagens controladospor um sistema eletrônico de controle que várias vezes por segundo checa a posição da turbinacontra o vento para manter a turbina perpendicular ao vento. A figura 4.10 ilustra o mecanismo decontrole de guinada. O mesmo é controlado usando um sinal de erro como entrada. Este sinal émonitorado por um sensor de direção. Figura 4.10 – Mecanismo de guinadaControle de velocidade:Exemplos de mecanismos de controle:- Rotores com ângulo de passo variável: O controle de passo é um sistema de controle ativo, que normalmente necessita de um sinal do gerador de potência. Permite variar o rendimento do rotor à medida que a velocidade do vento varia, através da mudança de posição das pás, girando as mesmas em torno do seu eixo longitudinal, ou seja, mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque do fluxo de ar. Com isso, pode-se aumentar o intervalo de funcionamento do sistema eólico e ainda manter uma determinada velocidade de rotação, que corresponde à eficiência máxima do gerador. Para velocidades de vento superiores à nominal, que é a mínima que se necessita para gerar a potência nominal, o ângulo é escolhido de tal forma que a turbina produza apenas a potência nominal.- Rotores de passo fixo: É um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem ser giradas em torno do seu eixo longitudinal. Seu ângulo de passo é escolhido de tal forma que para velocidades de vento- maiores que a nominal, o fluxo de ar em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície das pás (estol). Isto reduz as forças atuantes de sustentação e aumenta a de arrasto, diminuindo, portanto a potência do rotor. Turbinas com controle estol são mais simples do que as de controle de passo porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo. Em termos mundiais, o conceito de controle através de estol domina. A figura 4.11 mostra o perfil do vento nas pás, quando ele escoa de forma adjacente e quando entra em estol. 26
  27. 27. Figura 4.11 – Perfil do vento escoando sobre ás pás. [Boyle, 2002]Para entender melhor estes dois mecanismos, vamos discorrer um pouco sobre a aerodinâmicadas turbinas eólicas.4.1.6 Aerodiâmica das turbinas eólicasUm objeto inserido numa corrente de ar está sujeito a uma força devido ao impacto do vento.Podemos considerar que esta força possui duas componentes agindo numa direção umaperpendicular à outra, conhecidas como força de arrasto e força de sustentação. A magnitude dasforças de arrasto e sustentação depende da forma do objeto, sua orientação com relação à direçãoda corrente de ar, e da velocidade da corrente de ar.Forças de arrasto são aquelas forças experimentadas por um objeto num fluxo de ar que estãoem alinhamento com a direção do fluxo de ar.Forças de sustentação são forças experimentadas por um objeto num fluxo de ar que sãoperpendiculares à direção do fluxo de ar.A figura 4.12 mostra a representação das forças de arrasto e sustentação em um perfil de pá. Figura 4.12 – Forças de sustentação e arrasto em um perfil de pá.[ Boyle, 2002] 27
  28. 28. O ângulo em que um objeto faz com a direção de um fluxo de ar, medido com relação a uma linhade referência no objeto, é denominado ângulo de ataque. A linha de referência em uma seção doaerofólio é usualmente referida como ‘linha de corda” que também é o comprimento da seçãotransversal da pá de uma borda a outra numa determinada posição da pá (figura 4.14).Há dois tipos principais de seção de aerofólio: assimétrico e simétrico como mostrado na figura4.13.Figura 4.13 – Tipos de seção aerofólio – (a) , b) e c) forma de seção assimétrica de aerofólioe d) seção simétrica de aerofólio [Boyle, 2002; Cresesb, 2002]]Ambos possuem superfície superior convexa, borda arredonda chamada “borda dianteira” (fica defrente à direção de onde os ventos vêm) e, uma borda pontiaguda conhecida como “bordatraseira”.As características das forças de arrasto e sustentação de várias formas de aerofólios, para umaampla faixa de ângulos de ataque, têm sido determinada em medições realizadas em túnel devento. As características de arrasto e sustentação medidas para cada ângulo de ataque, podemser descritas usando os coeficientes adimensionais de arrasto e sustentação (Ca e Cs). Oconhecimento destes coeficientes é essencial na seleção apropriada da seção do aerofólio paraprojetos de pás de turbinas. Forças de arrasto e sustentação são ambas proporcionais a energiado vento. CORTE TRANSVERSAL DA PÁ Zona de pressão negativa - Ângulo de ataque Sucção α Vw Borda de ataque Zona de pressão positiva Borda de fuga Linha de corda Distância da corda Vento incidente nas pásFigura 4.14 - Zona de baixa e alta pressão ao redor de um aerofólio num fluxo de arO coeficiente de arrasto de um aerofólio é dado pela seguinte expressão: 28
  29. 29. FA Ca = 0,5 × ρ × V 2 × Abonde;FA = força de arrasto em newtonsρ = densidade do ar em kg/m3V = velocidade do ar próximo ao aerofólio em metros por seg.Ab = é a área da pás ( linha de corda × comprimento da pás) em m2O coeficiente de sustentação do aerofólio é dado pela seguinte expressão: FS Cs = 0,5 × ρ × V 2 × Abonde;FS = força de arrasto em newtonsCada aerofólio tem um ângulo de ataque no qual a razão entre os coeficientes de sustentação eataque (Cs / Ca) é máxima e este ângulo de ataque resulta na máxima eficiência das turbinas deeixo horizontal.O ângulo de ataque para o qual ocorre o efeito de estol, ou seja, o fluxo repentinamente deixa olado de sucção (ângulo de ataque elevado) resulta numa alta perda de força de sustentação eganho de força de arrasto.Todos esses métodos (estol e passo variável) podem ser utilizados individualmente ou combinadosem casos de velocidade excessiva, ou perda brusca de carga e para controlar o funcionamento dorotor numa faixa limitada de velocidade.A figura 4.15 mostra o ângulo de passo e de ataque das pás. Figura 4.15 REF: Silva, 2005 29
  30. 30. Onde:α - Ângulo de ataque: formado entre a corda do perfil da pá e a direção do vento resultante Vwrβ - ângulo de passo: ângulo entre o plano de rotação e a corda do perfil aerodinâmico das pásα + β : ângulo em que a velocidade do vento resultante faz com o plano de rotação das pás.A figura 4.16 mostra num mesmo gráfico a curva da potência eólica contida no vento, curva damáxima potência teoricamente utilizável, função do coeficiente de potência característica do vento(fator de betz), curva de potência da turbina utilizando controle estol e curva de potência da turbinautilizando controle por passo variável.Sistema de segurança Figura 4.16 – Curva de potência da turbina [Dewi,2002]A velocidade da turbina é geralmente muito menor que a velocidade desejável para o gerador. Poresta razão, a velocidade das turbinas em grande parte dos sistemas eólicos é aumentadautilizando os sistemas de acionamento.A equação da potência eólica do vento aproveitada nas pás do rotor como já descritoanteriormente é: 1 P= ρAV 3 .Cp 2onde Cp = coeficiente de potência da turbina 30
  31. 31. Reforçando o que já foi descrito, o valor de Cp varia com a razão entre a velocidade de ponta depá e velocidade do vento, denominado razão de velocidade de ponta de pá ou velocidadeespecífica. A figura 33 mostra novamente uma curva de Cp versus RV (razão de velocidade deponta de Pá). À medida que a velocidade do vento muda, RV e Cp variam. Cp apresenta um valormáximo para um único valor de RV. Portanto, quando operando um rotor com uma velocidadeconstante, o coeficiente de potência será máximo em apenas um valor de velocidade de vento.Para alcançar a máxima energia anual, o valor do Cp, deve ser mantido no máximo nível todo otempo, independente da velocidade do vento. Portanto, a velocidade do rotor deve ser mudada emresposta a mudança da velocidade do vento. Assim sendo, o sistema de controle deve atuar paramanter a velocidade do rotor alta quando a velocidade do vento é alta e vice-versa. Isto é ilustradona figura 4.17. Para uma dada velocidade do vento, V1, V2, e V3, as curvas de potência do rotorversus a velocidade da turbina são plotadas em linhas sólidas. Com o intuito de extrair a máximaenergia possível durante o ano, a turbina deve ser operada no ponto de máxima potência paratodos os valores de vento. Na figura, isto acontece nos pontos P1, P2 e P3 para as velocidadesV1, V2 e V3 respectivamente. O fator comum entre os picos de produção de potência P1, P2, e P3é o valor constante e elevado de RV.A operação da máquina com constante valor de RV correspondendo ao ponto de pico da potênciasignifica alta velocidade do rotor em rajadas de vento. As forças centrífugas produzidas nas pásdo rotor sob tais velocidades podem mecanicamente destruir o rotor. Além disso, o geradorproduzindo potência acima da sua capacidade nominal pode ser eletricamente destruído. Por estasrazões, a velocidade da turbina e a saída de potência do gerador devem ser controladas. Potência Ponto de máxima potência P3 V1<V2<V3 P2 V3 V2 P1 V1 Velocidade da turbinaFigura 4.17- Potência da turbina versus característica da velocidade do rotor para diferentesvelocidades de vento. O pico de potência move-se para a direita nas altas velocidades.O controle de velocidade e da potência de um sistema eólico possui três regiões distintas: 31
  32. 32. - região de Cp ótima constante- região de velocidade limitada- região de potência limitadaEstas regiões são mostradas na figura 4.18. A turbina tipicamente começa a operar na velocidadede partida (cut-in), quando a velocidade excede 4-5 m/s, e é desligada na velocidade de corte (25-30m/s). Entre estas velocidades, a turbina opera em uma das regiões citadas acima. Em umaplanta específica, a turbina pode operar 70 a 80% do tempo.A região de Cp máxima é a região de operação normal, onde o controle de velocidade atuaoperando o sistema num valor constante ótimo de Cp armazenado na memória do computador.Na região de Cp constante, o sistema de controle aumenta a velocidade do rotor em resposta aoaumento da velocidade do vento até um certo limite. Quando este limite é alcançado, o controlemuda para a região de limite de velocidade. O coeficiente de potência não permanece mais no seuvalor ótimo, e a eficiência do rotor cai.Se a velocidade do vento continua a aumentar, o sistema aproxima da limitação de potência dogerador elétrico. Quando isto ocorre, a velocidade da turbina é reduzida, e o coeficiente depotência Cp distancia-se do valor ótimo. A saída de potência da turbina permanece constante nolimite de projeto. Quando o limite de velocidade e potência não pode ser mantido sob ventos fortes(rajadas), a máquina é desligada. Esta é a função, portanto dos dois métodos tradicionais decontrole de velocidade da turbina e potência do gerador: O controle de passo variável e o controlede passo fixo (estol). Cp (%) 100 Limite de potência do gerador Cp constante 40 5 15 25 Velocidade do vento m/s Figura 4.18 – Regiões de funcionamento da turbinaO rendimento global do sistema eólico relaciona a potência disponível do vento com a potênciafinal entregue pelo sistema. Resulta em valores menores, uma vez que os demais componentesmecânicos e elétricos da turbina eólica apresentam perdas de potência.A potência elétrica pode ser expressa por: 32
  33. 33. Pelétrica = Protor × ηOnde η é o produto do rendimento do multiplicador de velocidade, gerador elétrico e demaisacessórios. O fato do rotor funcionar em uma faixa de limitada de velocidade também contribuipara reduzir a energia por ele captada.4.1.7 Sistema de segurança As turbinas eólicas também estão sujeitas à falhas, tais como perda brusca de carga, vibração,perdas de fase, anomalias na tensão e na corrente, etc. Desse modo, as turbinas devem serequipadas com dispositivos de segurança que desligue as mesmas automaticamente naocorrência dessas falhas. Os sistemas de segurança mais utilizados são os sensores de vibração,sensores indicadores de direção e intensidade do vento, medidor de rotação (tacômetro),disjuntores de sobrecarga, sistema de embandeiramento de pás, freios mecânicos (freios e discos)e freios aerodinâmicos (pontas de pá).A figura 4.19 mostra um dos tipos de freios utilizados na frenagem da turbina ou no seu repousoquando a mesma não está operando. Figura 4.19 – Sistema de freios a disco(Manwell,2002Os tipos de freios São: - freio de disco: opera de uma maneira similar ao disco de automóveis. Um disco rígido de aço é afixado no eixo a se freado. Durante a frenagem, um atuador (pinças hidráulicas) pressionam as pastilhas contra o disco. A força resultante cria um torque em oposição ao movimento do disco, desacelerando o rotor. - Os freios à embreagem são conhecidos como freios dinâmicos. As embreagens são acionadas por molas de pressão e soltas através de mecanismos ativos ou eletromecânicos.4.1.8 Equipamentos elétricos ancilares • cabos de potência: cabos trifásicos (normalmente a quatro fios) devidamente dimensionados para minimizar perdas de potência e quedas de tensão. São deixados frouxos para evitar que sejam enrolados pelo giro da nacele. • Anéis deslizantes ( normalmente usados em pequenas turbinas): anéis e escovas para transferir energia de um ponto ao outro. 33
  34. 34. • Partida lenta: Conversores eletrônicos, que fornecem uma corrente reduzida no gerador (soft-starter) • Contactores: O contactor principal é a chave que conecta os cabos dos geradores ao restante dos equipamentos elétricos do sistema. • Disjuntores ou fusíveis; Necessários para abrir a conexão do gerador à rede elétrica na ocorrência de elevadas correntes, representadas por curto-circuitos ou falhas • Interrupção principal: chave situada entre a rede elétrica e o sistema eólico completo. • Capacitores para correção do fator de potência: conectado próximo ao gerador, normalmente na base da torre ou na subestação • Cargas elétricas da turbina: Motores hidráulicos, motores de passo, acionamento do mecanismo de guinada, compressores a ar, etc. Necessário um transformador para rebaixar a tensão do gerador elétrico para alimentar as cargas.4.1.9 ConversoresSão equipamentos usados para transformar potência elétrica de uma forma em outra, tais comoem CA para CC, CC para CA, uma voltagem em outra, ou uma freqüência em outra. Na geraçãoeólica, os conversores possuem inúmeras aplicações. Ultimamente estão sendo utilizados, porexemplo, na partida do gerador elétrico, turbinas de velocidade variável, em em redes isoladas.Basicamente consistem de sistemas eletrônicos de controle, ou chaves eletrônicas. Alguns destessistemas incluem diodos, retificadores controlados de silício (SCR’s – também conhecidos comotiristores), gate turn off tyristors (Gto’s) e transistores de potência.A figura 4.20 mostra uma ponte trifásica retificadora usando diodos. A função dessa ponte éconverter uma corrente trifásica senoidal em corrente contínua. Figura 4.20 – Ponte retificadora utilizando diodos [ Manwell,2002]A figura 4.21 ilustra a voltagem CC que poderia ser produzida de uma fonte trifásica, 480 V,usando um aponte retificadora a diodo mostrada na figura 4.20. 34
  35. 35. Figura 4.21 – Voltagem Contínua ( retificada) de uma retificador trifásico [Manweel,2002]Com o objetivo de converter um sinal CC em CA, de uma bateria ou de uma ponte retificadora emuma turbina de velocidade variável, um inversor é utilizado. A maioria dos inversores é constituídade chaves/ componentes eletrônicos da mesma forma que os retificadores e estes inversores sãoequipamentos que chaveiam altas correntes e controlam o circuito que coordena o chaveamentode todos os seus elementos. Há dois tipos de inversores: Os auto-comutados e os comutados pelarede elétrica.A figura 4.22 mostra um inversor usando SCR’s , usado em conexão com rede trifásica. O circuitoé similar ao da ponte trifásica retificadora mostrado na figura 4.20, mas nesse caso o tempo dechaveamento dos elementos do circuito é externamente controlado e a corrente flui da fonte CCpara a rede AC trifásica. Figura 4.22 – Inversores (SCR’s) comutado pela rede [Manweel, 2002] 35
  36. 36. 4.1.10 Filtro de harmônicosHarmônicas são voltagens ou correntes cuja freqüência é um múltiplo inteiro da freqüênciafundamental da rede. As distorções harmônicas referem ao efeito na forma de onda senoidal daforma de onda não senoidal de corrente ou tensão de alta freqüência, resultante da operação deequipamentos elétricos que dispositivos de chaveamento estado sólido. As distorções harmônicassão causadas por inversores, acionamento de motores industriais, eletrodomésticos eletrônicos,reatores de lâmpadas fluorescentes, dentre outros.A figura 4.23 mostra um exemplo de distorção harmômica. Figura 4.23 – Exemplo de distorção harmônica [Manwell, 2002] As distorções harmônicas podem ser corrigidas através de filtros. Existe uma variedade detipos de filtros que podem ser empregados, dependendo da situação. A forma geral de um filtro devoltagem CA inclui impedância série e paralelo, constituído por capacitores e indutores. A figura4.24 mostra um tipo de filtro ressonante série-paralelo. Figura 4.24 – Filtro série-paralelo [Manwell,2002] 36
  37. 37. 4.1.11 Sistema de controle O propósito de um sistema de controle em uma turbina’/fazenda eólica é gerenciar de formasegura e automática a operação de uma turbina. Os sistemas de controle de uma turbina são geralmente divididos em três partes: a) Um controlador que controla inúmeras turbinas em uma fazenda eólica b) Um controlador supervisório para cada turbina eólica c) Se necessários, controles dinâmicos separados para cada subsistema em cada turbinaA figura 4.25 resume os principais componentes de um sistema de controle em uma turbina eólica. Controle de uma fazenda eólica Start up Monitoramento Checagem do sistema contínuo de faltas Controle da aceleração Controle de velocidade Controle Sincronização dinâmico dos componentes Controle on-line Desligamento por Desligamento emergência Desconexão Desaceleração Turbina Controle supervisório eólica Frenagem Figura 4.25 – Componentes de um sistema de controle em uma turbina eólica [Manwell, 2002]Elementos comuns que necessitam ser considerados em qualquer projeto de um sistema decontrole são representados abaixo (Figura 4.26) por um modelo básico de uma turbina. 37
  38. 38. Inércia do rotor Inércia do trem de acionamento Torque eixo Torque elétrico aerodinâmico Torque de frenagem Figura 4.26 – Modelo básico de uma turbina [ Manwell, 2002]Torque do gerador a velocidade constante = f ( torque aerodinâmico, dinâmica do sistema)Torque do gerador a velocidade variável = f ( sistema de controle do torque do gerador)Componentes de um sistema de controle:Função:1- Um processo: que possui um ponto ou pontos que permitem que o processo seja modificado ouinfluenciado2- Sensores ou indicadores: para comunicar o estado do processo ao sistema de controle3- Um controlador: hardware e software lógico, para determinar que ação de controle deve sertomado. Consiste de computadores, circuitos eletrônicos, ou sistemas mecânicos4- Amplificadores de potência: fornecer potência para a ação de controle.5- Atuadores ou componentes para intervir no processo: mudar a operação do sistemaA figura 4.27 apresenta o sequenciamento da atuação de um sistema de controle: Saída Amplificador Controlador atuadores Processo de potência Sensor Figura 4.27 – Sequência de atuação do sistema de controle [Manwell,2002]Processos controláveis de uma turbina eólica: 38
  39. 39. •Desenvolvimento do torque aerodinâmico• Desenvolvimento do torque do gerador• Conversão da corrente elétrica e fluxo de fluído em movimento. Acionamento de guinada emecanismo de controle de passo das pás usam controle de corrente ou o fluxo do fluído hidráulicopara controlar válvulas e a direção e velocidade do movimento mecânico• Conversão da energia cinética do ventos em energia elétrica. Requer o monitoramento esequenciamento de um número de sub-processos. Ex: conectar o gerador à rede, ligar oscompressores e bombas ou abrir válvulasSensores de uma turbina eólica:Nas turbinas modernas de grande porte vários sensores são usados medir e informar ao sistemade controle diferentes aspectos operacionais da turbina.•Velocidade (velocidade do gerador, velocidade do rotor, velocidade do vento, taxa de guinada,direção da rotação)• Temperaturas ( óleo da caixa de engrenagem, óleo hidráulico, bobinas do gerador, temperaturaexterna, temperaturas dos componentes eletrônicos )• Posição (passo das pás, posição de guinada, erro de guinada, direção dos ventos,)• Características elétricas (potência ativa, corrente, fator de potência, tensão, freqüência, falta aterra, operação do conversor)• Parâmetros de fluxo do fluido ( pressão hidráulica ou pneumática, nível do óleo hidráulico, fluxode óleo hidráulico)• Movimentos, vibrações, momentos.• Condições ambientais: sensor de umidade, gelo,descargas atmosféricasFaz a conexão entre a medição dos parâmetros operacionais e a ação que será imposta a turbinaafetando seu ponto operativo. Controladores típicos incluem:•Mecanismos mecânicos: rotor de cauda, acoplamento de molas, usados no controle de passo daspás, posição da nacele, velocidade do rotor.• Circuitos elétricos. Reles e chaves, quando energizados podem mudar o estado defuncionamento dos atuadores, ou mudar a forma total de operação do sistema dinâmico• Computadores. Usados freqüentemente como controladores. Podem ser configurados parareceber sinais digitais e analógicos de saída e entrada, e podem ser programados para executarfunções lógicas e prover respostas dinâmicas as entradas.Amplificador de potência:Quando o sinal de controle vindo do controlador não possui potência suficiente para fazer funcionaro atuador, um amplificador de potência é necessário. Amplificadores típicos numa turbina eólicaincluem:•Chaves. Existe uma variedades que podem ser controladas com uma pequena quantidade decorrente ou pequena força mas agem como amplificador podendo chavear altas correntes. Reles,contactores, chaves eletrônicas de potência, tal como transistores, SCR’s e válvulas hidráulicas.• Amplificadores elétricos. Diretamente amplificam a voltagem e corrente de controle a um nível talque podem acionar um atuador.• Bombas hidráulicas. Proporciona um fluido de alta pressão que pode ser controlado com válvulasque requerem pouca potência.•Equipamentos eletromecânicos. Motores CC, motores de passo, Motores AC com controladoresde estado sólido, atuadores lineares e magnéticos.• Pistão hidráulico. São freqüentemente usados no posicionamento de sistemas que necessitam dealta potência e velocidade.• Aquecedores resistivos e ventiladores. Para controle de temperaturaTambém são incluídos como atuadores: engrenagens, acoplamentos e outros elementos demáquinas que modificam a força de atuação ou direção. 39
  40. 40. REfERÊNCIAS REFERËNCIA BIBLIOGRÁFICA: ENERGIA EÓLICA 1- Farret, F.A . Aproveitamento de pequenas fontes de energia eólica, Ed. Ufsm, Rio Grande do Sul, 1999, 245p. 2- Godfrey B. Renewable Energy . Power for Sustainable Future. Open University. 1996. Pg 267 - 314 3- COHEN,J.M et all. National Wind Coordinating Committee. Distributed Wind Power Assessment. Washington, 57p. 4- Energia eólica na Dinamarca. http://www.windpower.dk/tour/ 5- Patel, Mukund R. Wind and Solar Power Systems. CRC Press, New york, 1999, 351p. 6- Silva, P.C. Sistema para tratamento, armazenamento e disseminação de dados de vento. Tese de mestrado, Rio de Janeiro, UFRJ, 113p. 7- DUTRA,M. R. Viabilidade técnico-econômica da energia eólica face ao novo marco regulatório do setor elétrico brasileiro. Dissertação de mestrado, UFRJ, Rio de janeiro, 2001. 8- Fadigas, E.AF.A . Dimensionamento de fontes fotovoltaicas e eólicas com base no índice de perda de suprimento e sua aplicação em localidades isoladas. Dissertação de mestrado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1993. 9- Tolmasquim, M. T Fontes renováveis de energia no Brasil. Ed. Interciência, Rio de Janeiro, 2003, 515p. 10 - Tolmasquim, M. T. Alternativas energéticas sustentáveis no Brasil, Ed. Dumara, Rio de Janeiro, 2004, 487p. 11- Manwell, J.F et alli. Wind energy explained: Theory, Design and Application. Ed. John Wiley & Sons, LTD, London, 2004, 577p. 12- Macedo, W.N. Estudo de sistemas de geração de eletricidade utilizando as energias solar fotovoltaica e eólica. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Pará, Belém, Para, 2002, 152p. 13- http://www.cresesb.cepel.br 40

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