Projeto energia eólica - Aula 3

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Energia Eólica 
Professor: Luiz Fernando Ortega
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Resumo aula passada
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Resumo aula passada
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Resumo aula passada
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Turbulência
Causa variações e flutuações de carga na potência de saída, além de estresse na estrutura da turbina 
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Resumo aula passada
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Energia Eólica
Energia cinética do ar em movimento – Vento.
Varia em velocidade e direção.
Para estudar a energia disponível é necessário estudar seu comportamento temporal e espacial.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
P =Massa especifica do ar – 1,225 kg/m3
P = Potência do Vento (W)
A = Área da seção (m2)
V = Velocidade do vento (m/s)
Potencial Eólico Disponível
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Aumento de 10% da velocidade
Aumenta 33% a potência desponível
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
1.1 – Exercicio:
Qual a Potência Eólica Disponível para a região marcada na imagem ao lado, para o Aerogerador G97 2MW a 50 m de altura?
P= ? W/m2
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
1.2 – Exercicio:
Qual a Potência Eólica Disponível para a região marcada na imagem ao lado, para o Aerogerador G97 2MW a 50 m de altura?
P= ? W/m2
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Turbinas Eólicas
Extração da energia a partir das turbinas eólicas - aerogerador
Potência do vento>>>energia mecânica>>>energia elétrica
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Turbinas Eólicas
Geração de eletricidade – Alta velocidade e baixo torque – poucas pás
Bombeamento – grande torque e baixa velocidade – muitas pás
Movimento irregular
Vibração
Ruído
Não é estável
Mais rápida
Mais ruído
Suave e estável
Menores vibrações
Menos ruído
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Potencial Eólico Utilizável
Limite de Betz - Cp teórico – 16/27 = 59,26%
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Potencial Eólica Utilizável
Na prática Cp é menor que o valor máx teorico em função de quarto fatores:
Rotação da esteria atrás do Rotor
Número de pás e perdas nas pontas
Força de Arrasto não nula
Perfil aerodinamico das pás
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
λ – razão entre a velocidade tangencial da ponta da pá e a velocidade do vento incidente (tip speed ratio)
ωwt – velocidade angular da aerogerador [rad/s]
R – raio da aerogerador [m]
vw – velocidade do vento incidente na aerogerador [m/s]
A força de arrasto é produzida na mesma direção de Vres. A resultante das componentes da força de sustentação e de arrasto na direção Vtan, produz o torque do aerogerador.
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Aerogeradores
A força produzida advém da diferença de pressão criada entre o extradorso - região de baixa pressão e o intradorso - região de alta pressão (parte inferior da pá). 
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Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
λ – razão entre a velocidade tangencial da ponta da pá e a velocidade do vento incidente (tip speed ratio)
ωwt – velocidade angular da aerogerador [rad/s]
R – raio da aerogerador [m]
vw – velocidade do vento incidente na aerogerador [m/s]
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Massa especifica do ar – 1,225 kg/m3
Potencial Eólico Utilizável
Vento
Aerogerador
Carac. local
Coef. De arrasto
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
1.3 – Exercicio:
Qual a Potência Eólica Utilizavél para a região marcada na imagem ao lado, para o Aerogerador G97 2MW a 50 m de altura considerando CP= Limite de Betz ?
P= ? W/m2
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Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Power coefficient: CP
Thrust coefficient: CT
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Potencial Energético do Vento
1.4 – Exercicio:
Qual a Potência Eólica Utilizavél para a região marcada na imagem ao lado, para o Aerogerador G97 2MW a 50 m de altura considerando CP= dados do fabricante ?
P= ? W/m2
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Potencial Energético do Vento
Potencial Total
Pel=Pmxn (W)
Eficiência de diversos components da turbina
Aerogerador
Carac. local
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Potencial Energético do Vento
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Potencial Energético do Vento
Distribuição de Weibull
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
1.5 – Exercicio:
Traçar o gráfico para a Distribuição de Weibull com velocidade media de7 m/s e k=2
 
Traçar o gráfico para a Distribuição de Weibull com velocidade media de3 m/s e k=2
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Produção de Energia Bruta: considera apenas as perdas por
interferência das esteiras entre rotores das turbinas;
Produção de Energia Líquida deve-se incluir: 
Perdas elétricas; 
 Consumo próprio;
 Perdas por indisponibilidade do sistema elétrico e dos
Aerogeradores (indisponibilidade forçada e programada)
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Efeito Esteira; 
Indisponibilidade;
Perdas Mecânicas no Eixo, Multiplicador e Gerador;
Perdas Elétricas e Magnéticas no Gerador;
Perdas Elétricas no Sistema de Transmissão: SE, Redes Coletroas, Linha de Transmissão, etc....
Perdas:
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Disponibilidade:
Garantia de Disponibilidade Mínima: 97 a 98%
(definido em contrato)
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
 
Cálculo da Potência Annual Gerada
Informações Necessarias:
Curva de Potência do Aerogerador
Comportamento do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Fator de Capacidade:
O FC é o principal critério de decisão sobre a viabilidade de um projeto eólico. É um indicador da produção energética e do potencial de produção dos aerogeradores instalados em um local específico. Poder ser líquido ou bruto de acordo com a produçãode energia considerada no cálculo.
Pode variar por:
Velocidade dos Ventos: Diferentes locais usando o mesmo modelo de aerogerador apresentam diferentes fatores de capacidade;
Curva de Potência: Diferentes modelos de aerogeradores no mesmo local apresentam fatores de capacidade diferentes.
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Potencial Energético do Vento
Exercício 
Dados de Entrada		
Potência Nominal	 2000	MW	
Densidade do Ar 	 1,24	kg/m3	
velocidade média	 7	m/s	
Aerogerador	 G97	tipo	
Perdas	 2	 %	
Número de Aero	 14	und	
Energia Gerada, Potencia Instalada e FC?
AEROGERADORES
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Aerogeradores:
	Componentes
 Montagem
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Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Potencial Energético do Vento
IEC 61400 
Mais comum
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Carcaça
	Protege os equipamentos do aerogerador
 	Composto de resina com fibra de vidro
 Espaço suficiente para operações de manutenção
 Grua de serviço para 800 kg
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Bastidor
	Suportar adequadamente os elementos da gondola e transmitir a carga para a torre
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
	Transmissão da energia mecânica do rotor para a caixa multiplicadora 
 
Eixo Principal
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Caixa Multiplicadora
 
	Transmissão da energia mecânica do eixo principal para o gerador elétrico
 Relação de transformação
 Máxima eficiência, com baixa emissão de ruídos e vibrações 
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Caixa Multiplicadora
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Sistema de Orientação Yaw
 
Permite o giro da gondola ao redor do eixo da torre
Do tipo ativo em quatro motorredutores acionados eletricamente pelo sistema de controle do aerogerador a partir das informações dos anemômetros 
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Sistema de Freio
 
 Composto por um freio de disco, hidraulicamente ativado.
 É locado na saída do eixo de alta velocidade da multiplicadora.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Sistema Hidráulico
 
O sistema hidráulico atua no sistema de freio do eixo e no sistema de freio de orientação.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Gerador Elétrico
 
Assíncrono duplamente alimentado com 4 polos
Rotor bobinado
Comportamento síncrono frente a rede
Funcionamento ótimo para qualquer velocidade de vento
Controle da potencia ativa e reativa
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
 
Resumo aula Passada
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Resumo aula passada
xN
Limite de Betz - Cp teórico – 16/27 = 59,26%
REAL
rendimento
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Resumo aula passada
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Esquema de hardware del aerogenerador Gamesa 2.0MW
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
 
Sistema Duplamente Alimentada
Gerador assíncrono com o rotor bobinado acessível a um conversor de energia (AC/AC). 
Um dos lados (inversor) ligado no rotor
Do outro lado (retificador) ligado na rede
Similar a um gerador síncrono
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
 
Inversor (conectado ao rotor) – Esse conversor AC/DC extraí corrente do rotor com frequência variável.
Retificador (conectado a rede) – Converte DC/AC 
BARRA DC – Capacitores que filtram a tensão
CCU – Unidade de controle
Crowbar – Ante a uma subida brusca de tensão na BARRA DC, ele curto-circuita os enrolamentos do rotor para que a energia se dissipe
Harmônicos – O inversor usa IGBTs que comutam a uma frequência muito superior a da rede, unido ao sistema de filtros consegue entregar potência com a qualidade necessária 
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
 
Esse sistema é mais favorável a rede devido:
Não existe pico de corrente no momento de conexão com a rede, diferente dos geradores assíncronos convencionais
Existe um controle de potência reativa continua e regulável, diferente dos geradores assíncronos convencionais que consomem potência reativa e são necessários bancos de capacitores para compensar.
O range de velocidade é maior que em máquinas convencionais
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Regulação da Potência Reativa
Regulação da Potência Ativa
Controla o FP
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
 
Quando aparece uma queda de tensão ocorre a ativação do Crowbar Activo para proteger os elementos sensíveis do rotor antes da aparição de um pico de corrente no estator, curto-circuito do rotor!
Quando as tensões e corretes baixam a valores aceitáveis, crowbar desconecta e o conversor recupera o controle.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Transformador
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
 
Armários elétricos de controle e potência
Painel de Controle do vento, ângulo de passo, orientação, controle de temperatura, etc;
Inversor de frequência – controle de potência e gestão da conexão e desconexão da maquina com a rede
Painel com as proteções elétricas
 
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Cubículos de média tensão
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Cubículos de média tensão
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Cabo –Trafo - Cubículo
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologiae Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Pás
 Fabricadas com material composto de fibra de vidro, fibra de carbono e pré-impregnados que permitem a rigidez necessária sem penalizar o peso.
Possuem sistema de proteção contra raios
Sistema de drenagem para evitar retenção de água.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conexão das 3 pás, transferindo a energia oriunda do vento ao eixo princial
Tem uma porta frontal para manutenção. 
O Cono tem função de proteger o cubo e os rolamentos das pás.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Controle de Potência e Velocidade das Turbinas Eólicas
Controle Passivo – Estol
Reage à velocidade do vento
As pás são fixas e não podem ser giradas em seu eixo
O ângulo de passo é escolhido de tal maneira que para velocidades de ventos maiores que a nominal o fluxo em torno do perfil da pá do rotor se descola da superfície (estol), ou seja, o fluxo se afasta da superfície da pá, surgindo turbulência. Controlando a potência.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Controle de Potência e Velocidade das Turbinas Eólicas
Controle de Passo – Pitch Control
Sistema ativo – necessita de sinal do gerador
Sempre que a potência nominal for ultrapassada as pás são giradas em torno do seu eixo, mudando seu ângulo de passo.
Para todas as velocidades o ângulo de ataque é escolhido para a potência nominal
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Controle de Passo – Pitch Control
Permitem controle de potencia ativa – qualquer vento
Potencia nominal mesmo com condições adversas
Maior produção de energia
Partida simples
Dispensa grandes freios
Massas das pás do rotor menores
Controle Passivo – Estol
Sem sistema de passo
Estrutura de cubo de rotor simples
Menor numero de manutenção
Auto-controle de potência
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Nº mínimo de fibras: 8 (dedicadas para la comunicación de los aerogeneradores con el SCADA).
Tipo de fibra: Monomodo 9/125 OS2.
Baja emisión de humos acorde con IEC61034 y EN50268.
Libre de halógenos (LSZH).
No corrosivo acorde con IEC60754-2 y EN50267.
Retardante a la llama acorde con IEC60332-3-24 y EN50266-2-4.
Cubierta interior adicional retardante a la llama y cero halógenos.
Blocante al agua acorde con IEC60794-1-2-F5.
Cable sin elementos metálicos, no presentando problemas de lazos de tierra.
Protección antiroedores mejorada mediante hilaturas de vidrio.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Resistente frente a microbios y rayos ultra violetas.
Posibilidad de instalación en conductos o enterrado directamente.
Cumplimiento con normativa RoHS.
Rango de Temperatura:
Tendido e Instalación: -5ºC a 50ºC
Funcionamiento: -20ºC a 60ºC
Transporte y Almacenamiento: -25ºC a 70ºC.
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Sistema de para-raio
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Tabela 11 - Resistividade Média Parque II E V
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Aerogeradores
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
Conceitos, Tecnologia e Viabilidade de Fornecedores
Montagem
Montagem
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Montagem
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Montagem
Montagem
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