AULA ENERGIA EÓLICA

Prévia do material em texto

ENERGIA EÓLICA 
1 - INTRODUÇÃO 
 
A Energia Eólica é atualmente considerada uma das mais 
promissoras fontes renováveis de energia, principalmente 
devido ao grande avanço tecnológico ocorrido na Europa e 
Estados Unidos. Turbinas eólicas — instaladas isoladamente, 
ou em pequenos grupos de quatro ou cinco ou, ainda, em 
fazendas eólicas de mais de quinze aerogeradores. 
HISTÓRICO 
 2000 a.c. – placas ou velas para produzir trabalho 
(navegação no oriente) 
 Século XIV (1500 d.c.) na Holanda e Europa – 
Moinhos de Vento 
 Século XIX (1863 d.c.) nos E.U.A. – Cataventos 
Multipás para Bombeamento de Água 
 1930 – E.U.A. – Uso de Aerogeradores para 
carregamento de baterias. 
 1940 e 1950 – Turbinas Eólicas para Geração de 
Eletricidade 
 1970 aos Dias Atuais – Crescimento da contribuição 
da Aerogeração na Produção de Energia Eletrica – 
Europa e EUA 
 
VANTAGENS DA ENERGIA 
EÓLICA 
 Rapidez de Implantação 
 Enorme Potencial Eólico no Brasil 
 Possibilidade de Interligação ao Sistema Elétrico 
 Complementaridade Sazonal – Eólica e Hidráulica 
 Ausência de Riscos Ambientais 
 Redução na Emissão de CO2 
 Viabilidade Econômica 
 
 PRINCÍPIOS DA ENERGIA 
EÓLICA 
 
 Avaliação dos Recurso Eólicos 
 A energia do vento 
 A força do vento 
 A máxima potência extraída do vento 
 
O VENTO E A ENERGIA 
EÓLICA 
 O vento é o ar em movimento devido ao aquecimento 
desigual da superfície da terra pelo sol. A terra e seu 
envelope de ar, a atmosfera, recebe mais calor solar 
próximo ao Equador do que nas regiões polares. Mesmo 
assim, as regiões equatoriais não ficam mais quentes a 
cada ano, nem as polares ficam mais frias. É o movimento 
do ar ao redor da terra que ameniza a temperatura extrema 
e produz ventos na superfície tão úteis para a geração de 
energia. 
 
A FONTE EÓLICA :A quantidade de energia 
disponível no vento varia de acordo com as estações e 
as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo 
também tem grande influência na distribuição de 
freqüência de ocorrência de velocidade do vento em um 
local. Além disso, a quantidade de energia eólica 
extraível numa região depende das características de 
desempenho, altura de operação e espaçamento 
horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica 
instalados. 
 
OS FATORES QUE AFETAM A FONTE EÓLICA SÃO: 
ESTAÇÕES DO ANO / CLIMA / HORÁRIO / TOPOGRAFIA DO 
TERRENO / RUGOSIDADE DO SOLO E ALTURA DE 
OPERAÇÃO 
 V I D E O S 
 
 
 FORMAÇÃO DOS VENTOS; 
 
AS CONDIÇÕES LOCAIS E OS VENTOS; 
 
AVALIAÇÃO DO POTENCIAL EÓLICO. 
FORÇA DO VENTO 
AVALIAÇÃO DOS RECURSOS EÓLICOS 
FATORES QUE INFLUENCIAM NA CAPTAÇÃO DA ENERGIA 
EÓLICA: 
• VELOCIDADE E DIREÇÃO DOS VENTOS; 
• ALTURA DA TORRE; 
• RUGOSIDADE DO TERRENO; 
•VELOCIDADE MÉDIA ANUAL DOS VENTOS; 
• OBS: ANEMÔMETRO: MEDE A VELOCIDADE DO VENTO E 
TRANSMITE A INFORMAÇÃO PARA O CONTRLADOR. 
 
AEROGERADORES 
 A PRINCIPAL CARACTERÍSTICA DE UMA TURBINA EÓLICA É O 
SEU ROTOR (PÁS E CUBO), QUE CONVERTE A ENERGIA CINÉTICA 
DO VENTO EM ENERGIA ROTACIONAL NO EIXO PRINCIPAL 
 OS AEROGERADORES PODEM SER, DE DOIS TIPOS: 
 TURBINAS EÓLICAS DE EIXO HORIZONTAL OU 
 TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL 
 
 OBS: NO MERCADO ENCONTRAMOS AEROGERADORES QUE 
OPERAM EM CORRENTE CONTÍNUA OU CORRENTE ALTERNADA 
 
 
TURBINA EÓLICA DE EIXO VERTICAL 
TURBINA EÓLICA DE EIXO HORIZONTAL 
COMPONENTES DE UM SISTEMA EÓLICO 
Os principais componentes de um sistema eólico para 
aplicação isolada são: rotor. transmissão, controle conversor e 
sistema de armazenamento. 
 
O ROTOR é o componente destinado a captar a energia cinética 
dos ventos e convertê-la em energia mecânica no eixo. 
 
A TRANSMISSÃO é o mecanismo que transmite a energia 
mecânica do eixo do rotor ao eixo do conversor (gerador). 
 
O CONVERSOR (gerador) é o componente que tem a finalidade 
de converter a energia mecânica do eixo em energia elétrica. 
Podem ser dos tipos: gerador CC, gerador síncrono e gerador 
de indução. 
COMPONENTES DO 
SISTEMA EÓLICO 
Pás 
Caixa 
Multiplicadora 
Gerador 
Torre 
Rotor 
Eixo de 
Baixa 
Velocidade Eixo de Alta 
Velocidade 
SISTEMAS DE ENERGIA EÓLICA 
 PODEM SER DIVIDIDOS EM TRÊS CATEGORIAS PRINCIPAIS: 
 
 SISTEMAS DE GRANDE DIMENSÃO, CONECTADOS À REDE; 
 SISTEMAS HIBRIDOS DE MÉDIA DIMENSÃO; 
 SISTEMAS EÓLICOS ISOLADOS DE PEQUENA DIMENSÃO 
 
ELEMENTOS BÁSICOS PARA INSTALAR UM 
GERADOR EÓLICO 
 TURBINA EÓLICA; 
 TORRE DE INSTALAÇÃO; 
 CONTROLADOR DE CARGAS; 
 BATERIAS; 
 INVERSOR. 
 
 V I D E O : 
 
 
 SISTEMA EÓLICO PARA O MEIO RURAL 
Componentes do Sistema de 
Geração Eólica 
Aerogerador 
Banco de Baterias Inversores 
Carga 
120V 
12V 
Controlador de Carga 
ENERGIA DO VENTO 
 OS VENTOS: A energia eólica é a energia 
cinética resultante da movimentação das 
massas de ar na atmosfera. Sob ação de 
diferentes pressões atmosféricas 
continuamente variáveis que existem em 
nosso planeta, o ar jamais permanece em 
repouso, isto constitui o vento. 
ENERGIA DO VENTO 
2
2
1
mvEc 
t
Ec
P 
Ec = Energia Cinética [Joules] 
m = massa do ar [kg] 
v = velocidade do ar [m/s] 
A potência elétrica eólica disponível (Pd) do vento é: 
 
Pd = Potência eólica disponível [W] 
t = tempo [s] 
 2
2
1
v
t
m
Pd 






ENERGIA DO VENTO 
Em que: 
Pd = potência disponível [W] 
 = densidade do ar [kg/m3] 
v = velocidade do vento [m/s] 
A= área varrida pelas pás [m2] 
D= diâmetro do rotor [m] 
 Ou : 
 
3
2
1
AvP 
3
2
42
1
v
D
Pd


Av
t
m






 Coeficiente de potência: representa a 
percentagem do potencial eólico disponível que 
realmente é aproveitado no eixo do rotor e é 
considerado igual a 0,3. 
 
3
2
1
3,0 AvPd 
Potência Eolica
Disponivel
100%
Potência Teórica
Aproveitavél
59%
Potência Útil
p/ Geração de
Eletricidade
30%
"Perdas"Perdas
 Fator de capacidade (Fc): 
nominal Pot.
Gerada Pot.
 capacidade defator Fc 
 Potência elétrica gerada, Pg = 0,3 x Pd x Fc 
 
 Nos sistemas eólicos atuais, considerando que o 
vento é bom em determinados períodos e mais 
fraco ou inconstante em outros, o fator de 
capacidade médio anual fica entre 30 e 45%: 
 
 Pg = 0,3 x Pd x 0,3 (W) 
 
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Velocidade do Vento (m/s)
C
a
rg
a
 D
iá
ri
a
 (
A
h
/d
ia
)
AIR403
AIR303
Curva de Carga Diária Aerogerador AIR303 E 403 
CDA 403 = 7,1204xV2 - 42,794xV +60,38 
CDA 303 = 6,1061xV2 - 44,245xV +90,143 
Distribuição de Rayleigh, k=2 
DIMENSIONAMENTO E 
ESCOLHA DE UM 
AEROGERADOR PARA UMA 
RESIDÊNCIA RURAL 
Escolha e dimensionamento do 
aerogerador e acessórios 
 
 
• Passo 1) Calcular a velocidade média do vento no mês 
crítico e o número de dias sem vento; 
• Passo 2) Calcular a carga diária total da fonte de 
consumo; 
• Passo 3) Selecionar em curvas de desempenho de 
aerogerados, os aerogeradores que fornecem a carga 
diária total em função da velocidade média do vento do 
local; 
• Passo 4) Dimensionaro número de aerogeradores e os 
demais componentes do sistema de geração eólica. 
Cálculo da velocidade média 
mensal do vento 
• Deve-se realizar um estudo criterioso das variações da 
velocidade do vento no local e na altura a ser instalado 
o aerogerador (10 m é a altura padrão para pequenos 
aerogeradores) durante um ano pelo menos, afim de 
determinar o mês em que ocorrem menores 
velocidades do vento. 
• Deve-se utilizar anemômetros digitais ou 
anemógrafos, que permitam registrar a velocidade do 
vento de 10 em 10 min. 
Cálculo da velocidade média 
mensal do vento 
• Exemplo: Verificou-se que na Região de Cascavel – 
PR, o mês crítico é o mês de março, sendo que as 
velocidades do vento distribuem-se ao longo do mês 
conforme apresentado na tabela abaixo: 
 
Número de Dias Velocidade Média do Vento (m/s) 
10 8,0 
11 7.8 
7 7,0 
3 0 
Cálculo da velocidade média 
mensal do vento 
 
 
 371110
3070,7118,7100,8
.


médiaVel
 
 
smmédiaVel /93,6
31
8,214
diária . 
Esquema Elétrico da Residência 
Rural 
 
 Quadro de Cargas da Residência 
Descrição Potência (W) Tempo de Uso 
(h/dia) 
Consumo 
(Wh/dia) 
5 lâmpadas (9W)* 45 3 135 
2 lâmpadas (11W)* 22 3 66 
1 TV com receptor 
* 
90 4 360 
1 Aparelho de som 
* 
25 1,5 37,5 
1 Liqüidificador * 200 0,25 50 
TOTAL 382 - 648,5 
* Todas as cargas ligadas em tensão de 110V 
Cálculo do consumo diário 
corrigido 
 Considerando: 
 Perdas no banco de baterias = 5% 
 Perdas no banco na fiação = 2% 
 Perdas no inversor = 15% 
 Aumento de demanda = 20% 
 Tensão do aerogerador = 12Vcc 
dia
Ah
xxx
x
Cdc 6,84
1285,098,092,0
2,15,648

 Componentes do Sistema de 
Geração Eólica 
Aerogerador 
Banco de Baterias Inversores 
Carga 
120V 
12V 
Controlador de Carga 
Cálculo do número de 
Aerogeradores 
Em que: 
 
NA = número de aerogeradores (un.) 
Cdc = consumo diário corrigido(Ah/dia) 
Cda = carga diária do aerogerador na velocidade média mensal 
 do vento (Ah/dia) (6,93m/s – 100,0 Ah/dia – AIR 403) 
CDA
CDT
NA  raerogerado
Cda
Cdc
NA 184,0
0,100
6,84
 
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Velocidade do Vento (m/s)
C
a
rg
a
 D
iá
ri
a
 (
A
h
/d
ia
)
AIR403
AIR303
Curva de Carga Diária Aerogerador AIR303 E 403- 
SOUTHWEST 
CDA 403 = 7,1204xV2 - 42,794xV +60,38 
CDA 303 = 6,1061xV2 - 44,245xV +90,143 
Distribuição de Rayleigh, k=2 
Cálculo da máxima corrente dos 
aerogeradores 
Em que: 
 
MCA = máxima corrente fornecida pelo aerogerador (A) 
CAPN = corrente do aerogerador na potência nominal (A) 
NA = número de aerogeradores (un.) 
33,4 133,4 NA x CAPN MCA
Cálculo do número de 
controladores de carga 
NPCCCIRCPMCS 
Em que: 
 
Ncc = número de controladores de carga (un.) 
Mca = máxima corrente fornecida pelo aerogerador (A) 
Ccc = corrente do controlador de carga (A) 
NPCCCIRCPMCS 
rcontrolado
CCC
MCA
NCC 184,0
40
4,33
 
Características técnicas dos 
controladores de carga 
 
 NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
•Fonte: www.energia-alternativa.com.br 
 
Controlador de carga – Morningstar 
Características Técnicas: 
Corrente Nominal = 40 A 
Tensão Nominal = 12 V 
PROSTAR-40 
Cálculo da capacidade do banco 
de baterias 
NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
CABAH = capacidade de armazenamento do banco de baterias (Ah) 
Cdc = Consumo diário corrigido (Ah/dia) 
Dsv = dias sem vento no mês crítico (dias) 
Cb = capacidade de armazenamento de uma bateria (Ah) 
Pd = Profundidade de descarga 40% 
 
 
Pd
Dsv
xCdcCABAH    AhxCABAH 5,634
4,0
3
84,6 
 Número de baterias em paralelo 
NPCCCIRCPMCS 
 
Nbp = número de baterias em paralelo (un.) 
CABAH = capacidade de armazenamento do banco de 
 baterias (Ah) 
Cb = capacidade de armazenamento da bateria = 100(Ah) 
Cb
CABAH
Nbp 
paralelosNbp 74,6
100
5,634

 Número de baterias em série 
 
Nbs = número de baterias em série (un.) 
Ts = Tensãodo sistema 12 Vcc 
Tb = Tensão da bateria 12 VCc 
Tb
Ts
Nbs 
série
Vcc
Vcc
Nbs 10,1
12
12

 Número total de baterias 
 
Ntb = número total de baterias 
Nbp = Número de baterias em paralelo 
Nbs = Número de baterias em série 
   NbsxNbpNtb 
  bateriasxNtb 70,717 
Especificação do Inversor 
NPCCCIRCPMCS 
Pn = potência nominal do inversor 
Pp = potência de pico do inverso 
FO = forma de onda do inversor 
 
KWPpWPn
VcaVccInversor
senoidalFOWPn
WxPpi
0,2500
,1101201
500
19821829200




 FIM 
Características técnicas dos 
aerogeradores 
 
 NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
Aerogerador – WG 913 – RUTLAND/MARLEC 
Características Técnicas: 
Diâmetro = 0,90 m 
Potência Nominal = 220W 
Velocidade de Potência Nominal = 19,0 m/s 
Velocidade de Partida = 3,0 m/s 
Tensão Nominal = 12 Vcc 
Corrente na Potência Nominal = 18,33 A 
WG913 
•Fonte: http://www.solarlink.de/WG913.html#wg913 
Características técnicas dos 
aerogeradores 
 
 NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
Aerogerador – LVM 6F– AEROGEN 
Características Técnicas: 
Diâmetro= 1,20 m 
Potência Nominal = 100 W 
Velocidade de Potência Nominal =12,0 m/s 
Velocidade de Partida = 2,7 m/s 
Tensão Nominal = 12 Vcc 
Corrente na Potência Nominal = 4,16 A 
LVM6F 
•Fonte: www.unlimited-power.co.uk 
Características técnicas dos 
aerogeradores 
 
 NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
Aerogeradores – AIR 303 E 403 – SOUTHWEST 
Características Técnicas: 
Diâmetro = 1,15 m 
Potência Nominal = 300 W e 400 W 
Velocidade de Potência Nominal = 12,5m/s 
Velocidade de Partida = 2,7 m/s 
Tensão Nominal = 12 Vcc 
Corrente na Potência Nominal = 25 e 33,3 A 
AIR 303 E AIR 403 
•Fonte: http://www.energiapura.com 
Características técnicas dos 
inversores 
 
 NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
Inversor PWZ300 – STATPOWER 
Características Técnicas: 
Potência Máxima = 300 W 
Tensão de Entrada = 12 Vcc 
Tensão de Saída = 120 Vac 
Rendimento = 90% 
Forma de Onda = Senóide 
Modificada 
•Fonte: www.rf.com 
PWZ300 – PORTWATTZZ 300 
Características técnicas das 
baterias 
NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
Bateria DELPHI – 100 
Características Técnicas: 
Capacidade de carga = 100 Ah 
Tensão Nominal = 12 V 
•Fonte: www.energia-alternativa.com.br 
 
DELPHI - 100 
Curva de Carga Diária Aerogerador WG 913 - 
RUTLAND 
NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
180,0
200,0
220,0
240,0
260,0
280,0
300,0
320,0
340,0
360,0
380,0
400,0
420,0
440,0
460,0
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Velocidade do Vento (m/s)
C
a
rg
a
 D
iá
ri
a
 (
A
h
/d
ia
)
CDA=1,1025xV2 + 2,9142xV - 19,258 
Distribuição de Rayleigh, k=2 
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Velocidade do Vento (m/s)
C
arg
a
 D
iá
ri
a
 (
A
h
/d
ia
)
Curva de Carga Diária Aerogerador LVM6F - 
AEROGEN 
NPCCCIRCPMCS  NPCCCIRCPMCS 
CDA= 0,1798xV2 + 25,58xV - 93,928 
Distribuição de Rayleigh, k=2 
MOINHOS DE VENTO 
CATAVENTOS MULTIPÁS 
AEROGERADORES 
TURBINAS EÓLICAS 
Energia Eólica 
Energia Eólica 
Características do Sistema 
1 Turbina Eólica de 75KW 
Passo Fixo 
3 pás de 17m de diâmetro 
Torre autoportante de base quadrada com 23m de altura 
Gerador elétrico 
Tensão Nominal 3 - 380 Vrms/60Hz 
Fusível de linha de 200A 
Potência Nominal 90kVA/75KW (f.p. = 0.93) 
Potência do Trafo de Acoplamento à rede de 75kVA/380/13800 Vrms 
Velocidade do vento 
Nominal : 12m/s 
Partida: 3.5m/s 
Energia Eólica 
Energia Eólica 
Características do Sistema 
4 Turbinas Eólicas de 250KW cada 
Rotor de eixo horizontal 
3 pás de 26m de diâmetro 
Torre tubular cônica de 30 metros de altura 
Gerador elétrico assíncrono de pólos chaveados, 
Geração de 80/250 KW 
Rotação de 900/1200 rpm 
Tensão 380 V trifásico, 60Hz 
Velocidade do vento 
Nominal : 14m/s 
Partida: 3m/s 
Corte: 25m/s 
REFERÊNCIAS 
BIBLIOGRÁFICAS 
 www.cresesb.cepel.br 
 www.terravista.pt/guincho/7419/eolica.htm 
 www.windpower.org 
 www.eolica.com.br 
 www.nrel.gov 
 Fontes não convencionais de energia (Alexandre 
Montenegro – Ed. UFSC, 1999) 
 Energia Eólica (Ricardo Aldabó – Ed. Artliber)