Lista Eólica - Sistema de Enerigia Solar e Eólica

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Lista de Exercícios - SESE
Paulo Henrique Alves dos Reis
01) Considere o ar passando através de um anel circular formando uma área de 150 m2, a uma
velocidade de 12 m/s.
a) Qual é o volume de ar por segundo que passa através do anel circular?
Solução:
Q = v · A = 12 · 150 = 1800 m3/s
b) Se a massa específica de ar é aproximadamente 1, 20 kg/m3, qual é a massa desse volume
de ar?
Solução:
ρ = M
V
⇒ M = ρ · V = 1, 20 · 1800 = 2160 kg
c) Quanto de potência possui um fluxo de ar que incide em uma área de 150 m2 a uma velo-
cidade de 12 m/s?
Solução:
Pmáx =
ρAv3
2 =
1, 2 · 150 · 123
2 = 155, 52 kW
02) Baseado apenas em dados de velocidade média, calcule a estimativa da produção anual de
energia de uma turbina de eixo horizontal com 12 m de diâmetro operando em um regime de vento
com uma velocidade média de 8 m/s. Assuma que a turbina eólica está operando em condições
atmosféricas padrão (ρ = 1, 225 kg/m2). Assuma a eficiência da turbina de 0,4.
Solução:
A = πd
2
4 =
π · 122
4 = 113, 097 m
2
Preal = η
A · ρ · v3med
2 = 0, 4
113, 097 · 1, 225 · 83
2 = 14.186, 88 W
Eanual = Preal · t = 14.186, 88(365 · 24) = 124, 27 MWh
03) Uma turbina eólica de potência nominal igual a 600 W possui uma velocidade de entrada
(cut-in) de 5 m/s, velocidade nominal de 20 m/s e velocidade de corte de 22 m/s. Sua potência
de saída em função da velocidade do vento na altura de cubo (rotor) é apresentada na Tabela (1),
A altura do cubo é igual a 45 m.
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Sistema de Energia Solar e Eólica Faculdade do Gama (γ)
Calcule a energia anual gerada e o fator de capacidade para:
a) Um sítio com ventos fortes onde o vento sopra com uma distribuição de Rayleigh com velocidade
média de 8, 2 m/s medidos a 10 m do solo.
Solução:
f(v) = k
c
(v
c
)k−1e(−(v
c
)k)
Para distribuição de Rayleigh k=2;
c = ∆Γ(1 − 1
k
)
c = 8, 20, 88591(1 − 12)
= 6, 12 m/s
f(v) = 26, 12(
8, 2
6, 12
2−1
)e(−( 8, 26, 12)
2) = 2, 64
A Energia elétrica anual gerada:
EAG = f(v)P (v) × 365 dias × 24 horas
πr2 = π · 202 = 1256, 63 m2
P (v) = 1, 2 · 1256, 63 · 8, 2
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2 = 50, 697 kW
EAG = 2, 64 · 50, 697 · 365 · 24 = 1, 170126 GWh
O fator de capacidade da turbina:
Fc =
EAG
8760 · Pn
= 1, 170126 · 10
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8760 · 600 = 0, 22
04) Levando em consideração as variáveis técnicas, econômicas e ambientais, faça um com-
parativo entre os aerogeradores de eixo horizontal tipo hélice e eixo vertical, considerando a sua
utilização em áreas remotas, urbanas e aplicações offshore.
Solução:
⇒Turbinas com eixo vertical: funcionam com qualquer direção do vento.
05) Cite e explique os aspectos que devem ser considerados na escolha e definição da velocidade
específica de ponta de pá e um rotor eólico e no que esta escolha impacta.
Solução:
Ao girar a pá da turbina, a velocidade na ponta da pá é maior do que a velocidade no meio. A
eficiência de um rotor é associada à taxa na qual o rotor gira. Se o rotor gira muito lentamente, a
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Sistema de Energia Solar e Eólica Faculdade do Gama (γ)
eficiência cai, pois boa parte do vento passará livremente pelo espaço vago entre as pás do rotor.
Por outro lado, se o rotor girar muito rápido, a eficiência é reduzida, pois a área coberta pelas pás
funcionará como uma parede contra o vento. Um bom caminho para demonstrar a eficiência de
um rotor é apresentá-lo em função da sua razão de velocidade de ponta de pá.
06) Apresente um comparativo entre turbinas de uma, duas e três pás ponderando suas dife-
renças no que tange aos aspectos mecânicos, elétricos, estruturais e econômicos. Solução:
▷ Menor o número de pás =⇒ menor o custo;
▷ Turbinas com elevada área sólida tendem a ter uma eficiência global menor;
▷ Comparando o rendimento de turbinas com 1, 2 e 3 pás, a turbina com 3 pás possui maior
rendimento;
Turbinas de 3 pás de suas vantagens sobre as de uma e duas:
▷ maior estabilidade;
▷ momento polar de inércia constante;
▷ menor velocidade específica de ponta de pá para uma mesma produção de energia;
▷ menor ruído;
▷ sistemas menos complexos para atender cargas;
Turbinas de duas pás possuem momento de inércia diferentes na posição vertical e horizontal.
Turbinas de uma pá possui menor custo, mas necessitam de um conjugado para balanceamento.
07) Considerando a aplicação das turbinas eólicas para alimentação de cargas isoladas, redes
isoladas e redes que compõem um sistema elétrico interligado de grande porte, compare os vários
tipos de geradores para estas aplicações.
Solução:
⇒ Gerador de corrente contínua (CC): utilizado em turbinas de pequeno porte com cargas
locais CC. Em relação aos demais tipos, possui alto custo e necessidade maior de manutenção.
⇒ Gerador de ímã permanente: não necessita de isolamento de carga com alimentação
externa em CC. A potência é extraída da armadura sem a necessidade de uso de comutadores,
anéis deslizantes ou escovas. O princípio de operação é semelhante ao gerador síncrono, mas opera
de forma síncrona.
CA −→ Retificador −→ CC (Carga CC) −→ Inversor −→ CA −→ Cargas CA
08) A curva de potência de um aerogerador possui três regiões distintas. Descreva o funcio-
namento de um aerogerador de velocidade variável com base na sua curva de potência.
Solução:
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Zona 01: controle de torque, ventos mais baixos Vcuttin = 3 − 4 m/s e V1−2 = 7 − 8 m/s. O
objetivo dessa zona é obter máxima eficiência aerodinâmica. Isso geralmente é feito ao manipular
o torque elétrico, a fim de conseguir uma taxa particular pré fixada, sendo a razão de velocidade
da ponta de pá entre a velocidade da pá e a velocidade do rotor, desse modo o máximo coeficiente
de potência é alcançado.
Zona 02: transição - velocidade media entre V1−2 = 7 − 8 m/s e V2−3 = 11 − 13 m/s. Nesta
zona não é possível alcançar a razão da velocidade de ponta desejada, pois a velocidade do rotor
está perto do valor máximo.
Zona 03:controle de passo - ventos com valores altos, entre V2−3 = 11 − 13 m/s a V3−4 =
20 − 25 m/s. As pás devem mudar o ângulo de passo a fim de limitar a potência, controlar a
velocidade do rotor e minimizar suas cargas ao mesmo tempo.
Zona 04: modo estendido - ventos com valores elevados, entre V3−4 = 20 − 25 m/s e
Vcutoff = 25 − 30 m/s. Por meio da limitação da velocidade do rotor, cargas externas podem
ser reduzidas.
09) Apresente uma explicação de como é feito o controle do torque elétrico (do gerador) e
torque aerodinâmico de um aerogerador para turbinas de velocidade fixa e velocidade variável,
relacionando os parâmetros controláveis da máquina.
Solução:
Para atingir tais objetivos de controle, um completo sistema de hardware/software tem que
ser implementado. Alguns sensores devem fornecer informação para o controlador ou á unidade
de controle principal. Esse controlador comanda os atuadores (de passo, torque, freios e direção)
com o valor apropriado de saída. O controlador é geralmente um sistema que funciona em tempo
real com um microprocessador que opera um software de controle principal mediante algoritmos
específicos. Um sistema de segurança complementar e independente ainda é necessário para con-
seguir a e garantir a segurança da turbina eólica. O então sistema de supervisão e aquisição de
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dados (scada) é o software capaz de inicializar e desligar cada operação da turbina e coordená-la
em um parque eólico.
Solução no caderno: Sistema supervisório de aquisição de dados (Scada). O controle mecâ-
nico e elétrico dos processos requer 5 componentes principais:
→ um processo;
→ sensores ou indicadores;
→ controlador;
→ amplificador;
→ atuador.
Saída desejada na Figura a seguir:
10) Descreva como é feito o controle da potência reativa nos diferentes tipos de aerogeradores
utilizados.
Solução:
⇒Turbina eólica de velocidade fixa: como não há um eletroímã de potência envolvido na
configuração, então não se faz possível controlar o consumo de potência reativa ou da qualidade
de energia. Assim, é necessário um compensador de energia reativa para reduzir a demanda de
reativos quea turbina eólica injeta na rede. Isso geralmente é feito pela contínua comutação de
um banco de capacitores que acompanha a variação da produção.
⇒Turbina eólica de velocidade variável: nesse tipo de turbinas os geradores síncronos e
assíncronos fazem o controle dos reativos.
11) Em um aerogerador, quais são as fontes causadores de cintilações de tensão (flicker) e de
que forma elas são eliminadas?
Solução:
O efeito ocorre em decorrência da variação da velocidade dos ventos e consequentes variações do
torque das pás das turbinas de vento.
A solução é utilizar uma aerogerador com velocidade variável: nos sistemas eólicos de veloci-
dade variável, a frequência elétrica da rede é desacoplada da frequência mecânica do rotor, a partir
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da utilização dos conversores estáticos interligados ao estator e/ou ao rotor das máquinas. Tais
conversores possibilitam a operação em velocidade variável do eixo do rotor da turbina eólica.
* Conectar o gerador em um ponto de conexão com grande potência de curto circuito.
* Uso de conversores na conexão à rede da turbina eólica.
* Manter o rotor desligado até que o vento alcance uma velocidade estável além do valor de partida.
12) Discorra sobre as diferenças entre uma fazenda eólica instalada em terra e uma instalada
no mar (offshore).
Solução:
⋆ Custos do offshore superiores ao onshore;
⋆ As turbinas eólicas offshore geram mais energia por hora do que as onshore;
⋆ Quantidade de modelos de turbinas limitadas na offshore;
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