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Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica EELET.10N1 Aula 08 Prof. Edgard Pereira Cardoso 2/2014 Centro Universitário Newton de Paiva Instituto de Ciências Exatas Escola de Engenharia Elétrica 1 Usina Eólicas 2 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 A Fonte de Energia - O Vento 2 Ventos Globais: Consistem nos movimentos de grandes massas de ar que ocorrem a partir dos 1000 metros de altitude, e podem ser classificados: Alísios; Contra-alísios, Ventos de Oeste e Polares; A Fonte de Energia - O Vento 4 Ventos de Superfície: São consequência da rotação da Terra, uma vez que, relativamente ao plano da sua órbita em volta do Sol, o eixo da Terra está inclinado 23,5°, o que provoca variações sazonais na distribuição da radiação solar recebida pela superfície terrestre; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 A Fonte de Energia - O Vento 5 Ventos Locais: Resultam das condições locais de cada região ocorrendo a baixas altitudes e sendo, por isso, bastante influenciados pela superfície terrestre, sobretudo pelo seu relevo. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 A Fonte de Energia - O Vento 6 • A direção dos ventos locais resulta da soma dos efeitos globais e dos efeitos locais, e quando os ventos globais são fracos os ventos locais podem dominar, como é o caso das brisas marinhas. • Durante a noite, como o mar arrefece mais lentamente, os ventos sopram em sentido contrário - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 A Fonte de Energia - O Vento 7 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 História da Energia Eólica 8 • O primeiro registro histórico da utilização da energia eólica para bombeamento de água e moagem de grãos através de cata-ventos é proveniente da Pérsia, por volta de 200 A.C.. • Acredita-se que antes da invenção dos cata-ventos na Pérsia, a China (por volta de 2000 A.C.) e o Império Babilônico (por volta 1700A.C) também utilizavam cata-ventos rústicos para irrigação - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 A Primeiro Modelo de Turbina Eólica Registrado História da Energia Eólica 9 • A introdução dos cata-ventos na Europa deu-se, principalmente, no retorno das Cruzadas há 900 anos - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 História da Energia Eólica 10 • Turbinas eólicas só foram utilizadas para geração de energia elétrica pela primeira vez em 1888 e a primeira turbina comercial instalada na rede elétrica pública foi em 1976, na Dinamarca. • Atualmente existem próximo de 40 mil turbinas eólicas em operação no mundo. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 11 Charles F. Brush (1849-1929) No Inverno de 1887-88, Brush construiu, em Cleveland , uma máquina automatizada para produção de eletricidade. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 12 • O diâmetro do rotor era 17 m, 144 pás feitas de madeira de cedro, que apesar dessas dimensões, gerava apenas 12 kW; • Foi o primeiro equipamento do tipo a utilizar caixa de redução (com relação de transmissão de 50:1) que fazia um gerador de corrente contínua girar a 500 rpm - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 13 A turbina eólica de Brush. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 14 Poul la Cour (1846-1908) • Meteorologista Dinamarquês foi considerado o pai da indústria eólica moderna e serviu de referência para muitos estudiosos e foi um dos responsáveis pelo grande avanço da indústria eólica dinamarquesa; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 15 • A sua primeira turbina eólica comercializável foi instalada após a Primeira Guerra Mundial, durante um período de escassez generalizada de combustível, e foi a primeira turbina a utilizar conceitos definidos de aerodinâmica. • Nas suas primeiras experiências na técnica dos túneis de vento publicou a primeira revista mundial sobre energia eólica. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 16 Turbina Eólica de Poul La Cour - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 17 Albert Betz (1885-1968) • Físico alemão que foi diretor do Instituto de Aerodinâmica em Göttingen, formulou a Lei Betz, demonstrando que o ponto otimizado físico da utilização da energia cinética dos ventos é 59,3%. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 18 Palmer Cosslet Putnam (1910-1986) • Engenheiro norte-americano que desenvolveu a turbina eólica 1,25 MW Smith Putnam, em 1941, que funcionou até 1945 e foi encerrada devido a danos nos materiais de construção, causados por materiais de construção inapropriados. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 19 Turbina Smith-Putnan - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 20 Johannes Juul (1887-1969) • Foi aluno de Poul la Cour e construiu a primeira turbina eólica do mundo utilizada para produção de corrente alternada na Dinamarca em Vester Egesborg , em 1957; • Esta turbina foi um esboço das turbinas eólicas modernas e gerava 200 kW. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Pioneiros da Energia Eólica 21 Turbinas desenvolvidas por Johannes Juul - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Uso mundial de Energia Eólica 22 • O grande responsável pelo crescimento da energia eólica no cenário mundial é a Dinamarca. Fabrica mais de 60% da demanda mundial de turbinas eólicas • Devido a crise energética e crise de petróleo, ocorridas na década de 70, os Estados Unidos, com grande participação da NASA , investiram fortemente em desenvolvimento e implantação de fontes de energias alternativas - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Uso mundial de Energia Eólica 23 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Uso mundial de Energia Eólica 24 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Energia Eólica - Brasil 25 • Estudos mostram que temos um dos maiores potenciais eólicos em todo o mundo; • Esse potencial é comprovado pelo constante crescimento na quantidade de usinas eólicas em território brasileiro, que passou de 7 usinas, no final de 2001, para 46, atualmente; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Energia Eólica - Brasil 26 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Aerogeradores – Turbinas Eólicas27 • Os aerogeradores são classificados com base na posição do eixo da sua turbina; • As turbinas eólicas se dividem, usualmente, em dois tipos principais, que são: Turbinas axiais de Eixo Horizontal (TEEH) Turbinas axiais de Eixo Vertical (TEEV); - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Aerogeradores – Turbinas Eólicas 28 Turbinas eólicas de Eixo Vertical (esq.) e de Eixo Horizontal (dir.) - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas Eólicas de Eixo Vertical TEEV: 29 • São menos comuns, normalmente utilizadas em sistemas de bombeamento de água, onde o custo final, devido à simplicidade do sistema de transmissão e construção, pode compensar o seu baixo rendimento; • Devido à baixa demanda, atualmente, poucas empresas fabricam turbinas eólicas de eixo vertical; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas Eólicas de Eixo Vertical TEEV 30 • Os principais tipos de turbinas de eixo vertical são: Turbinas de Savonius; Turbinas Darrieus; Darrieus Savonius - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas de Savonius 31 • As turbinas do tipo Savonius operam com um elevado torque e podem apresentar uma curva de rendimento em relação à velocidade bastante próxima da curva de rendimento das turbinas de eixo horizontal de múltiplas pás. • São utilizadas em pequenos sistemas de bombeamento de água, onde o custo final, devido à simplicidade do sistema de transmissão e construção, pode compensar o seu baixo rendimento. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas de Savonius 32 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas Darrieus 33 • São movidas por forças de sustentação e constituídas por lâminas curvas de perfil aerodinâmico, ligadas pelas extremidades ao eixo vertical; • A grande vantagem deste tipo de turbina é o fato de não necessitar de mecanismos de acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade do projeto e os esforços devido às forças de Coriolis; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas Darrieus 34 • A sua curva de rendimento é bastante próxima da curva de rendimento das turbinas de três pás de eixo horizontal, apresentam uma maior tendência para serem utilizadas na produção de eletricidade. • Os rotores de eixo vertical também podem ser movidos por forças de sustentação e por forças de arrasto e de poderem estar diretamente implantadas no solo, eliminando a necessidade da instalação de uma torre. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas Darrieus 35 • Como desvantagem, além da limitação no rendimento da turbina, as turbinas verticais tendem a causar vibrações acentuadas em toda a sua estrutura. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbinas Darrieus 36 A velocidade média do vento na região é de 16 km/h. Como a velocidade média dos automóveis nas rodovias americanas são cerca de 110 km/h, há uma grande potencialização da produção. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Estrutura de um Aerogerador 37 • Os principais componentes de um aerogeradores eólico de eixo horizontal são: nacele, torre, pás, cubo, eixo principal, caixa de engrenagem, gerador, anemômetro e anemoscópio e sistema de controle; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Componentes de uma Turbina eólica de eixo horizontal Estrutura de um Aerogerador 38 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Estrutura de um Aerogerador 39 • Como o nome indica, o eixo da TEEH é montado horizontalmente, paralelo ao solo e, para funcionar continuamente, este tipo de turbina precisa se alinhar constantemente com o vento, usando um mecanismo de ajuste; • O sistema de ajuste padrão consiste de motores elétricos e caixas de engrenagens que movem todo o rotor para a esquerda ou direita em pequenos incrementos; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Estrutura de um Aerogerador 40 • O controlador eletrônico da turbina lê a posição da turbina (mecânico ou eletrônico) e ajusta a posição do rotor para capturar o máximo de energia eólica disponível; • As TEEHs usam uma torre para elevar os componentes da turbina a uma altura ideal para a velocidade do vento (e para que as pás possam ficar longe do solo) e ocupam muito pouco espaço no solo, já que todos os componentes podem estar a até 80 metros de altura. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Estrutura de um Aerogerador 41 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes 42 • Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo; • Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador; • Nacele: é a carcaça, similar às de turbinas de avião, que abriga a caixa de engrenagens, o gerador, a unidade de controle eletrônico, o controlador e os freio, protegendo-os contra intempéries como chuva, vento, poeira e radiação solar; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes 43 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes 44 • Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do rotor e o gerador • Gerador: usa a energia rotacional do eixo para gerar eletricidade usando eletromagnetismo • Unidade de controle eletrônico : monitora o sistema, desliga a turbina em caso de mau funcionamento e controla o mecanismo de ajuste para alinhamento da turbina com o vento - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes 45 • Controlador: Move o rotor para alinhá-lo com a direção do vento; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes 46 • Torre: Sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do solo; • Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de energia ou falha no sistema; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes 47 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes - Pás 48 • Estruturas aerodinâmicas responsáveis pela transformação da energia cinética do vento em energia rotacional no eixo do gerador; • Apresenta formas e configurações distintas bem como, construtivamente, utilizar os mais variados materiais. Os compostos sintéticos, madeira e metais são os mais promissores. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes - Pás 49 • Compostos sintéticos: Os mais empregados nas pás são os compostos poliméricos ou plásticos reforçados com fibra de vidro, em razão da sua robustez, resistência à fadiga, facilidadede moldagem, baixo custo relativo e leveza. • Madeira – Como vantagem apresenta baixo peso relativo, no entanto é necessário cuidado em relação ao teor de umidade interna, influenciando negativamente as propriedades mecânicas do material. Normalmente a madeira é utilizada na construção de pás com até 5 metros de comprimento - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes - Pás 50 • Metais: Os aços estruturais apresentam custo relativamente baixo com utilização em estruturas aeronáuticas de todos os tamanhos. Por ser denso, acarreta aumento de peso e custo de toda a estrutura de suporte. Vários fabricantes operam com ligas de alumínio com propriedades mecânicas melhoradas, porém com a desvantagem da deterioração rápida da resistência à fadiga. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes - Pás 51 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Principais Componentes - Aerogeradores 52 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Princípio de funcionamento 53 • O princípio de funcionamento de um aerogerador compreende dois processos de conversão, levados a termo pelos seguintes componentes: O Rotor, que retira energia cinética do vento e a converte em conjugado mecânico O Gerador que converte o conjugado mecânico em eletricidade e alimenta a rede elétrica - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Princípio de funcionamento 54 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Princípio de funcionamento 55 • A potência de uma turbina eólica está diretamente relacionada com o diâmetro do rotor, sendo tanto mais elevada quanto maior for este diâmetro, Relação entre o diâmetro do rotor e a potência de uma turbina eólica - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Princípio de funcionamento 56 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Integração dos Parques Eólicos ao SEP 57 • A integração do parque eólico com o sistema elétrico pode ser feita em diversos níveis de tensão, de acordo com a potência instalada; • Pequenas fazendas eólicas, com poucos megawatts de capacidade, podem ser conectadas em redes de distribuição; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Integração dos Parques Eólicos ao SEP 58 • Grandes parques podem exigir a construção de subestações e linhas de transmissão para a conexão ao sistema de potência. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Integração dos Parques Eólicos ao SEP 59 • A disponibilidade de ponto de conexão na região é, geralmente, decisivo na viabilidade do projeto, haja vista que a necessidade de construção de grandes extensões de linhas de transmissão e de subestações encarecem o projeto e podem torná-lo pouco atrativo; • Parâmetros da rede elétrica como tensão, frequência, impedâncias e capacidades são necessários para o dimensionamento do gerador e seus sistemas de controle e proteção; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Integração dos Parques Eólicos ao SEP 60 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Esquema elétrico de um Parque Eólico 61 • O parque eólico é composto por um conjunto de aerogeradores conectados em paralelo, de forma a constituir uma usina de produção de energia elétrica. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Análise Crítica da Utilização de Turbinas Eólicas 62 • Quando se deseja utilizar turbinas eólicas, devem ser analisados diversos fatores que influenciam diretamente na viabilidade do uso, principalmente quando se trata de um número grande de turbinas a serem instaladas em um mesmo local. • O local escolhido para a instalação das turbinas deve ser cuidadosamente vistoriado a fim de avaliar a disponibilidade e a frequência dos recursos eólicos; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Análise Crítica da Utilização de Turbinas Eólicas 63 • Existe a necessidade de uma avaliação ambiental, verificando as condições do solo e analisando se o local não faz parte da rota de aves migratórias e até mesmo se não é reduto de animais ou aves em extinção; • Após o detalhamento preliminar do parque eólico, quando é definida a quantidade de material para a construção, podem ser calculados os custos da instalação das turbinas, os custos de transporte e de mão e obra. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Vantagens da Utilização de Turbinas Eólicas 64 • É uma fonte de energia segura e renovável; • Não polui o ambiente; • Suas instalações são móveis, e quando retirada, pode-se refazer toda a área utilizada: • Tempo rápido de construção (menos de 6 meses); • Recurso autônomo e econômico - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Vantagens da Utilização de Turbinas Eólicas 65 • Poupança devido à menor aquisição de direitos de emissão de CO2 por cumprir o protocolo de Quioto e diretivas comunitárias e menores penalizações por não cumprir; • Possível contribuição de cota de geração de energia elétrica para outros setores da atividade econômica; • Benefícios financeiros para os proprietários do local de instalação. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Vantagens da Utilização de Turbinas Eólicas 66 • É uma das fontes mais baratas de energia podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais; • Os parque eólicos são compatíveis com outros usos e utilizações do terreno como a agricultura e a criação de gado; • Geração de investimento em zonas desfavorecidas; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Desvantagens da Utilização de Turbinas Eólicas 67 • Impacto visual: sua instalação gera uma grande modificação da paisagem; • Influência sobre as aves e insetos do local; principalmente pelo choque delas nas pás; • Baixo rendimento de potência quando comparadas, principalmente, às turbinas hidráulicas - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Desvantagens da Utilização de Turbinas Eólicas 68 • Impacto sonoro: o som do vento bate nas pás produzindo um ruído constante de aproximadamente 43 dB, devido a isso, as turbinas eólicas devem ser instaladas a uma distância mínima de 200 m das residências do local; • Em alguns casos, podem causar interferências eletromagnéticas nas ondas de rádio e telecomunicação;. - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Tecnologia em Desenvolvimento 69 • Novos tipos de turbinas estão sendo desenvolvidas, de modo a conseguir-se um melhor aproveitamento do recurso eólico; - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 • A turbina de eixo vertical (de 144 metros de altura em forma de V), poderá ser instalada no mar e produzir até 9 MW de eletricidade, praticamente três vezes mais do que as turbinas convencionaisdo mesmo tamanho. Turbina de Eixo Vertical em “V” 70 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 Turbina MagLev 71 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 • Esta turbina utiliza levitação magnética para oferecer um desempenho muito superior; • As pás verticais da turbina são suspensas no ar acima da base do equipamento sem contacto com outras partes mecânicas, podendo assim girar sem atrito, o que aumenta exponencialmente o seu rendimento; Turbina MagLev 72 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014 • Segundo a empresa fabricante, esta turbina poderá gerar energia a partir de ventos de 1.5 m/s e suportar ventos até 40 m/s. • Esta turbina, devido à possibilidade de ser construída com dimensões gigantescas, poderá gerar 1 GW, suficiente para abastecer 75.0000 residências Turbina MagLev 73 - CUNP/ICET/EE - Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica - 2/2014
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