4 AULA - A TURBINA EOLICA

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ENERGIAS RENOVÁVEIS 
A turbina eólica
AULA 03: A Turbina Eólica
Tópicos especiais em energias renováveis
AULA 03: A TURBINA EÓLICA 
Tópicos especiais em energias renováveis
Conteúdo
A conversão de energia
O Limite de Betz
Classificação das Turbinas Eólicas
  Aerodinâmica de uma Turbina Eólica
Velocidade Relativa do Vento
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Tópicos especiais em energias renováveis
A Conversão de Energia
A potência contida no vento é dada por:
1
P = ρ.A.v3
2
Questão: Quanto de potência mecânica pode ser extraída do fluxo livre de ar por um conversor de energia eólica (aerogerador)?
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A Conversão de Energia
Pelo equação de continuidade de Bernoulli, a vazão em um fluido é
constante para diferentes
sem viscosidade.
pontos ao longo da vazão, para um fluido
3
Q = A1.v1 = A2.v2[m / s]
No caso do aerogerador, como V2<V1, resulta que A2 > A1, para Q =
constante.
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A Conversão de Energia
 A
potência
mecânica
que
o
as
conversor
extrai do
fluxo
de ar
corresponde
conversor:
à diferença entre
potências do fluxo antes e depois do
1
1
1
= ρA1v1 − ρA2v2 = ρ(A1v1 − A2v2 ) [W ]
3
3
3
3
Pmec
2
2
2
 Como ρ.A1.v1 = ρ.A1.v2 = dm/dt = m’ = fluxo de massa
= m (v1 − v2 ) [W ]
de ar
= constante, podemos dizer que:
1
' 2
2
Pmec
2
Onde:
P = Potência mecânica extraída do vento [W]. m’ = fluxo de massa de ar [Kg/s].
 Dessa
equação
conclui-se
que,
em
termos
puramente
formais,
a
potência atingiria o seu valor máximo quando
for igual a zero.
Porém, este resultado não faz sentido fisicamente, pois implica em não
haver fluxo de ar através do aerogerador.
v2
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O Limite de Betz
'
Logo,
1
2
m (v1
− v2 ) = m (v1 − v2 )v
' 2
2
'
Pmec
=
Já que,
 v1 + v2 
=
1
m'
v
= ρAv = ρA(v
)
+ v
e
1
2
2
2
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O Limite de Betz
Assim, a potência mecânica do aerogerador fica expressa
por:
Rearranjando
algebricamente a equação acima, teremos:
Sendo,
Cp é denominado como “coeficiente de potência” ou
eficiência
do
rotor.
Traduz a relação entre a potência mecânica do conversor e a potência contida no vento.
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O Limite de Betz
O coeficiente de potência (Cp) depende da razão entre as velocidades v1 e v2. Se a relação entre Cp e v2/v1 é plotada em um gráfico, verifica-se que Cp atinge seu valor máximo quando v2/v1 = 1/3.
Com v2/v1 = s = 1/3, o
coeficiente
de
potência
ideal
torna-se:
Cp
=
16/27
=
0,593
(1 + s) (1 − s2 )
Cp =
2
v2 
s =
v1
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Velocidade de Esteira e Potência Gerada
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Curva de potencia no aerogerador x velocidade da turbina
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Rotores de turbinas eólicas
O rotor é o responsável por extrair do vento a energia cinética a ser transformada em energia elétrica.
A potência extraída por um dado rotor é dada pela bem conhecida equação:
Sendo A a área percorrida pelas pás, ρ a densidade do ar, V a velocidade do vento e CP o coeficiente de potência (eficiência do rotor).
Projeto de parques
Projeto do aerogerador
Projeto do rotor
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Histórico
Os moinhos com eixos horizontais surgem na Europa por volta do século XII, e eram usados para moer grãos e bombear água.
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Até o século XIX o seu uso foi bastante difundido. A maior parte dos moinhos foi então abandonada, sendo substituída por máquinas a vapor e combustão interna.
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Histórico
No fim do século XIX foram desenvolvidos os primeiros moinhos com a finalidade de se produzir energia elétrica, com a função principal de carregar baterias e muito difundidos nas áreas rurais dos Estados Unidos.
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E novamente eles caíram em desuso ao se implantar as redes de energia que provinham das usinas elétricas movidas a combustíveis fósseis.
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Classificação das Turbinas Eólicas
Uma forma de classificar as turbinas eólicas é em termos do eixo ao qual as pás das turbinas giram.
Eixo horizontal (Horizontal Axis Wind Turbine – HAWT)
redor
do
Eixo Vertical (Vertical Axis Wind Turbine
–
VAWT)
Eixo
Vertical
Eixo
Horizontal
A – Upwind
B – Downwind
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Classificação das Turbinas Eólicas
Turbinas de Eixo Vertical
 Vantagens
Não necessitam de controle de ajuste para mantê-las na direção do vento (yaw system)
  Maquinário pesado (gerador, caixa de engrenagens,...) pode ficar no solo, onde facilita a manutenção
Desvantagens
Maior instabilidade
Ausência de controle para altas velocidades
As pás ficam próximas ao solo, onde a velocidade do vento é baixa
Incapacidade de partida própria
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Classificação das Turbinas
Eólicas
Turbinas de
  Modelos
Eixo
Vertical
Helicoidal
Darrieus
Savonius
Cochrane
H
Maglev
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Classificação das Turbinas Eólicas
Comparativo
Rotor H Darrieus Horizontal
Perfil da pá Simples Complicado Complicado
Mecanismo de direção Não Não Sim
Possibilidade de mecanismo de passo Sim Não Sim
Torre Sim Não Sim
Cabos de sustentação Opcionais Sim Não
Ruído Baixo Moderado Alto
Área da pá Moderada Grande Pequena
Carga da pá Moderada Baixa Alta
Posição do gerador No solo No solo No alto da torre
Autoinicialização Não Não Sim
Interferência da torre Pequena Pequena Grande
Fundação Moderada Simples Alta
Estrutura global Simples Simples Complicada
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Classificação das Turbinas Eólicas
Turbinas de Eixo Horizontal
Vantagens
A velocidade do rotor e a saída de potência são controladas pelo controle do ângulo das pás
 O formato das pás pode ser otimizado aerodinamicamente
Acesso a ventos de maiores velocidades devido à altura da torre
 Alta eficiência com as pás perpendiculares à direção do vento
Desvantagens
Dificuldade de instalação em altas torres
Dificuldade no transporte de equipamentos
 Exigência de um sistema de controle para girar o rotor na direção do vento
Construção complexa da torre para apoiar o peso da turbina
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Aerodinâmica de uma Turbina Eólica
Força de arrasto é a força experimentada por um objeto, imerso em um fluxo de ar, e que está alinhada com a direção do fluxo de ar.
Força de sustentaçãoé a força experimentada por um objeto, imerso em um fluxo de ar, e que está perpendicular a direção do fluxo de ar.
Ângulo de ataque é o ângulo que o objeto faz com a direção do fluxo de ar, medido com relação a uma linha de referência (corda).
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Velocidade
Relativa do Vento
Na ponta da pá, a velocidade tangencial, velocidade de vento resistente, cuja direção
é perpendicular à direção do vento não perturbado, é calculada pela seguinte expressão:
Vtan
= ω.R
Onde:
Vtan = velocidade tangencial de ponta de pá em m/s
ω = velocidade angular da pá em rad/s
R = Raio da pá em metros
Para a geração de eletricidade é esperado que a velocidade tangencial de ponta de pá seja de 5 a 10 vezes maior que a velocidade do vento não perturbado.
A razão entre a velocidade de ponta de pá e a velocidade do vento não perturbado é denominada velocidade específica de ponta de pá, calculada pela seguinte expressão:
ω.R
Vw
λ =
O melhor desempenho para a seção do aerofólio ocorre quando o ângulo de ataque é
mantido constante, isto é, a velocidade específica é mantida constante em seu valor ótimo, o que significa que a velocidade de rotação da turbina poderia variar diretamente com a velocidade do vento incidente (não perturbado).
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P
C
A
V
P
3
2
1
r
=