Eolica 1

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Engenharia Elétrica
Centrais Elétricas
Geração Eólica
Profª Viviane Reis de Carvalho
(vivianecarvalho@pucminas.br)
Maio 2023
Energia Eólica
O vento passa pelas pás do aerogerador e as movimenta. As pás giram e ao fazê-lo movimentam um gerador, onde é criada uma corrente elétrica que por sua vez é transmitida para a rede de distribuição.
Participação das fontes na capacidade instalada (2021)
Fonte: BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL (BEN) 2022 – ano base 2021 (EPE)
MATRIZ ELÉTICA BRASILEIRA (2022)
Fonte: Operador Nacional do Sistema (ONS)
5
Evolução da Capacidade instalada no SIN - Fevereiro 2023/ Dezembro 2027
Fonte: Operador Nacional do Sistema (ONS)
Evolução da capacidade instalada no Brasil
Distribuição da potência instalada
Evolução da capacidade instalada em MW
Onshore X Offshore
A geração de energia eólica offshore é feita aproveitando a força do vento que sopra em alto-mar, onde este alcança uma velocidade maior e mais constante, devido à inexistência de barreiras.
Já a onshore é feita aproveitando a força do vento que sopram em terra. A instalação é mais rápida e manutenção mais fácil
Energia Eólica no mundo
https://www.youtube.com/watch?v=4mQLz--YAic&feature=youtu.be
Energia Eólica no mundo
Velocidade média dos ventos no Brasil a 100 m
https://globalwindatlas.info/en/area/Brazil
O VENTO
O vento é provocado pelo aquecimento desigual das superfícies da terra pelo sol. 
O aquecimento diferenciado das regiões, e em específico da atmosfera, provoca gradientes de pressão que são responsáveis por movimentos da massa de ar.
Os ventos podem ser classificados como ventos de circulação global e local. 
Os ventos de circulação global são resultantes das variações de pressão, temperatura e densidade causadas pelo aquecimento desigual da Terra por meio da radiação solar, que varia em função da distribuição geográfica, período do dia e sua distribuição anual. 
Tipos de Vento
Alísios – Sopram constantemente das zonas polares e dos trópicos em direção à linha do equador. Carregam umidade e provocam chuvas nas regiões onde eles se encontram com outros ventos e massas de ar.
A faixa de encontro desses ventos, é conhecida como Zona de Convergência Intertropical e sua posição acontece justamente no Equador. 
Contra-alísios: Realizam o movimento contrário aos ventos alísios, direcionando-se da linha do equador aos trópicos. São ventos geralmente muito secos.
Ventos de circulação global
Tipos de Vento
Tipos de Vento
Ventos Locais
Brisas marítima e terrestre: o aquecimento diferencial se dá por meio dos diferentes valores de capacidade térmica da água e da terra.
Tipos de Vento
Ventos Locais
Brisas montanha e vale: o alto das montanhas recebe mais calor durante o dia (por estar em posição mais elevada), mas também perde o calor absorvido mais rapidamente durante a noite. 
Tipos de Vento
Ventos Locais
Monções: funcionam similarmente, porém em escalas de tempo um pouco maiores (em estações do ano). 
Exemplo: 
Durante o inverno no sudeste asiático, o oceano Índico é bastante aquecido causando grandes zonas de baixa pressão sobre ele e zonas de alta pressão sobre o continente. Esse efeito acaba causando estiagem e secas prolongadas.
Durante o verão, o oposto ocorre, de forma que o continente recebe mais calor e se torna alvo de zonas de baixa pressão. Assim, ventos fortes carregados de chuva acabam inundando e provocando enchentes no continente.
Tipos de Vento
Monções no sudeste asiático:
Faixa de velocidade do vento para operação dos aerogeradores
Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m2, a uma altura de 50 metros, o que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s
Faixa de velocidade do vento para operação dos aerogeradores
Velocidade do Vento (Escala Beaufort)
(Valores típicos)
22
Região I: conteúdo energético do vento não justifica o seu aproveitamento
Região II: potência disponível no eixo do gerador varia com o cubo da velocidade do vento e corresponde a região onde se inicia o processo de conversão eletromecânica da energia do vento
Região III : é ativado o sistema de limitação automático de potência da turbina. Nesta região a potência disponível no eixo do gerador é constante.
Região IV: Para ventos muito fortes com velocidade superior a v = 25,0 m/s, atua o sistema automático de proteção, reduzindo a rotação das pás e o gerador elétrico é desconectado da rede elétrica.
Faixa de velocidade do vento para operação dos aerogeradores
Tamanho e altura dos aerogeradores
Tamanho e altura dos aerogeradores
Medição dos ventos
O instrumento utilizado para medir a velocidade do vento é chamado de anemômetro.
O anemômetro mais utilizado, e inclusive recomendado pelo IEC (International Electrotechnical Commission), é o anemômetro de copo. Nele, a velocidade rotacional dos copos é proporcional à velocidade do vento.
Já para a medição da direção do vento, utiliza-se um instrumento chamado de anemoscópio.
Medição dos ventos
Anemômetro de copo.
Anemoscópio
Medição dos ventos
Para o levantamento do perfil de velocidade de um determinado local, são utilizados anemômetros de copo a diferentes alturas, de modo a determinar a velocidade média em cada uma (o perfil vertical de velocidade do vento do local).
É necessário instalar no local uma ou mais torres anemométricas, conforme a dimensão do local e mudanças na topografia e rugosidade do terreno.
Medição dos ventos
Torre anemométrica
Distribuição Estatística da Velocidade
Distribuição Estatística da Velocidade
Após o cálculo das médias de 10 minutos, passa-se a um processo de contagem da frequência das medidas de velocidade que ocorrem dentro de um determinado intervalo
Distribuição Estatística da Velocidade
Dividindo o número de ocorrências de cada intervalo pelo total de ocorrências, obtém-se uma densidade de probabilidade.
Distribuição Estatística da Velocidade
Por isso, costuma-se aproximar essa densidade pela função de densidade de probabilidade de Weibull. 
A função de Weibull é dada por:
Onde:
A é o parâmetro de escala
k é o parâmetro de forma. 
A densidade de probabilidade encontrada é típica para as medições de velocidade de vento de maneira geral. 
Distribuição Estatística da Velocidade
Na prática, todas as distribuições de velocidade de vento podem ser aproximadas pela distribuição de Weibull, bastando apenas alterar os parâmetros A e k
Direção dos Ventos
Ao se projetar parques eólicos, a direção predominante do vento também irá influenciar a disposição dos aerogeradores.
Quanto maior o tempo que o vento ocorrer em uma direção predominante, maior será a eficiência do processo de conversão de energia pelo aerogerador
Anemoscópio
Tipos de aerogeradores
Aerogeradores com rotores de eixo vertical 
Savonius 				Darrieus				Darrieus de 											pás retas (Giromill)
Tipos de aerogeradores
Aerogeradores com rotores de eixo vertical 
Darrieus
Darrieus Helicoidal
Darrieus de pás retas (Giromill)
Tipos de aerogeradores
Aerogeradores com rotores de eixo vertical 
Savonius
Tipos de aerogeradores
Aerogeradores com rotores de eixo horizontal 
Constituição das turbinas eólicas
Pás: captam o vento, convertendo sua potência ao centro do rotor. São construídas em processo praticamente artesanal a partir de materiais como o plástico e a fibra de vidro.
Rotor: elemento de fixação das pás que transmite o movimento de rotação para o eixo de movimento lento
Torre: elemento que sustenta o rotor e a nacele na altura apropriada ao seu funcionamento. Geralmente feitas de aço ou concreto;
Nacele: compartimento instalado no alto da torre composto por caixa multiplicadora, freios, embreagem, mancais, controle eletrônico e sistema hidráulico. Maior peso do sistema;
Constituição das turbinas eólicas
Caixa de transmissão: tem a função de transformar as rotações que as pás transmitem ao eixo de baixa velocidade (19 a 30 rpm), de modo que entregueao eixo de alta velocidade (Ex.: 1500 rpm);
Gerador: converte a energia mecânica do eixo em energia elétrica;
Constituição das turbinas eólicas
Anemômetro: mede a intensidade, a velocidade e a direção do vento. Esses dados são lidos pelo sistema de controle, que garante o posicionamento mais adequado para a turbina.
Constituição das turbinas eólicas
A Nacele da turbina eólica
https://www.schaeffler.com.br/pt/products-and-solutions/industrial/solucoes_industria/energia/energia-eolica/ajuste-pas-eolicas/