Energia Eólica

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PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 1 
Energia Eólica 
 Profa. Ma. Rebeca Catunda Pereira 
Fortaleza, 24 de março de 2020 
FBUNI 
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA 
DISCIPLINA DE FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA 
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Sumário 
1. Evolução Histórica....................................... 
2. Potencial Eólico........................................... 
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Sumário 
Sumário 
Evolução 
Histórica 
1. Evolução Histórica....................................... 
2. Potencial Eólico........................................... 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 4 
 Primeiros Moinhos de Vento 
 
Os primeiros moinhos de vento surgiram na Pérsia, pelo ano de 200 a.C., os 
moinhos eram horizontais, com eixo verticais usados na moagem de grãos. 
 
 
 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 5 
 Moinhos Holandeses 
 
Na Europa, o mais antigo moinho de 
vento conhecido surgiu na Inglaterra em 
1185. 
 
Em 1350, foram os holandeses que 
desenvolveram o moinho de vento com 
eixo horizontal e 4 pás. A força do vento 
era utilizada para bombeamento de 
água, moagem de grãos e operações de 
serraria. 
 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 6 
 Primeiros Geradores Eólicos 
 
Em 1903, na Dinamarca, Poul La Cour construiu o primeiro gerador eólico 
para a produção de eletricidade. A energia elétrica era fornecida em corrente 
contínua. 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 7 
 Lei de Betz 
 
Na Alemanha, em 1920, Albert Betz formulou a lei de Betz, demonstrando que 
o limite máximo físico da utilização da energia cinética do vento por um 
aerogerador é de 59%. 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 8 
 Primeira turbina eólica em corrente 
alternada 
 
Em 1957, o engenheiro dinamarquês Vester 
Egesborg construiu a primeira turbina eólica 
do mundo (200 kW) para geração em corrente 
alternada. Esta turbina é considerada o 
protótipo das turbinas eólicas modernas. 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 9 
 Primeira turbina eólica conectada à rede 
 
Primeira turbina eólica comercial conectada à rede elétrica pública foi 
instalada em 1976, na Dinamarca. 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 10 
 Primeira usina eólica offshore 
 
Em 1991, foi inaugurada na Dinamarca, a primeira usina offshore do mundo 
com 11 turbinas que totalizavam uma potência instalada de 4,95 MW. 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 11 
 Uma das vantagens das instalações eólicas no mar é que os ventos sofrem 
menos turbulência em função da ausência de obstáculos, melhorando o 
desempenho das turbinas eólicas, quando comparado ao desempenho de 
instalações em terra. 
 
 As maiores dificuldades nas instalações eólicas offshore estão associadas 
à logística do transporte, instalação de equipamentos e no transporte da 
energia produzida pelos aerogeradores. 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 12 
 Primeira turbina eólica instalada no Brasil 
 
Foi instalada na Ilha de Fernando de Noronha em 1992. Na época, a geração 
de eletricidade dessa turbina era equivalente a cerca de 10 % da energia 
consumida na ilha, proporcionando uma economia de aproximadamente 70 
mil litros de óleo diesel por ano. 
 
 
 Características da turbina: 
 
• Gerador - 75 kW 
• Rotor - 17 m de diâmetro 
• Torre - 23 m de altura 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 13 
 Maior turbina eólica do mundo 
 
Em 2014, na Dinamarca, foi instalada a maior turbina eólica do mundo com 
potência de 8 MW, seu gerador fica a uma altura de 140 m e o ponto mais 
extremo da pá atinge 220 m e a área varrida pelas pás é de mais de 21 mil 
m2, equivalente a três campos de futebol. O peso total chega a 390 ton. 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 14 
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1. Evolução Histórica 
Rebeca Catunda P. M. 15 
 Inaugurado parque eólico que comporá o maior complexo eólico do 
Brasil 
 
Em 2015, foi Inaugurado o parque Eólico Geribatu, que juntamente com os 
parques Chuí e Hermenegildo compõem o maior complexo eólico do Brasil e 
da América Latina. Localizados no Rio Grande do Sul, juntos somam 583 MW 
de capacidade instalada. A energia é suficiente para atender ao consumo de 
mais de três milhões de habitantes. 
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Potencial 
Eólico 
1. Evolução Histórica....................................... 
2. Potencial Eólico........................................... 
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2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 17 
 Densidade do Ar: 
 
A avaliação da densidade do ar é essencial para as medições de vento, pois a 
densidade do ar varia bastante em diferentes níveis e graus. A densidade do 
ar pode ser calculada usando a lei dos gases. 
Onde: 
ρ = Densidade do ar (kg/m3) 
P = Pressão atmosférica (Pa) 
T = Temperatura (K) 
R = Constante dos gases (J/kg K) 
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2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 18 
 Área varrida pelas pás: 
Onde: 
A = Área varrida pelas pás (m2) 
d = Diâmetro do rotor (m) 
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2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 19 
 Taxa de Massa de Ar: 
 
A massa de ar que atinge a turbina eólica, ou seja, que varre uma área 
conhecida a cada segundo é calculada através da seguinte equação: 
 
Onde: 
M = Taxa de Massa de ar ou Vazão mássica (kg/s) 
ρ = Densidade do ar (kg/m3) 
A = Área (m2) 
V = velocidade do ar (m/s) 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 20 
2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 20 
 Taxa de Massa de Ar: 
 
Também chamada de Vazão mássica, é a quantidade em massa de ar que 
escoa através de uma secção em um intervalo de tempo. 
Onde: 
M = Taxa de Massa de ar ou Vazão mássica (kg/s) 
m = Massa de ar (kg) 
t = Tempo (s) 
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2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 21 
 Energia Cinética 
 
O vento é constituído por moléculas de ar em movimento que têm massa. 
Qualquer objeto em movimento com massa transporta Energia Cinética numa 
quantidade que se traduz pela equação: 
 
Onde: 
m = massa (kg) 
v = Velocidade (m/s) 
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2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 22 
 Potência do Vento: 
 
A potência, ou seja, a energia por segundo do vento que atinge a turbina 
eólica com uma determinada área varrida, é calculada através da equação: 
 
Onde: 
Pvento = Potência do vento (W) 
ρ = Densidade do ar (kg/m3) 
A = Área varrida pelas pás (m2) 
V = velocidade do vento (m/s) 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 23 
2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 23 
 Coeficiente de potência da turbina: 
 
Caracteriza o nível de rendimento de uma turbina eólica, pode ser definido 
pela razão: 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 24 
Aplicação 
Rebeca Catunda P. M. 24 
Exercício1: Uma região possui as seguintes características: vento com 
velocidade de 15 m/s, temperatura de 20o C e pressão de 101,3 kPa. Esse 
vento atinge uma turbina eólica de duas pás de diâmetro igual a 15 m. Calcule: 
 
a) A densidade do ar; 
b) A área varrida pelas pás; 
c) A potência disponível do vento; 
d) A potência máxima extraída. 
e) A potência possível da turbina, sabendo que o rendimento da turbina é de 
30%. 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 25 
Aplicação 
Rebeca Catunda P. M. 25 
Exercício 2: Um aerogerador possui um rotor com raio de 8 m. A eficiência da 
turbina, ou seja, o coeficiente Cp é de 40%. Para uma localidade com 
velocidade do vento igual a 12 m/s, temperatura 10oC e pressão atmosférica 
igual a 1 atm. Determine: 
 
a) A densidade do ar; 
b) A área varrida pelas pás; 
c) A potência disponível do vento; 
d) A potência máxima extraída. 
e) A potência possível da turbina. 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 26 
2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 26 
 Taxa de velocidade da ponta das pás: 
 
Essa característica específica das turbinas eólicas permite classificar os seus 
diferentes tipos. É a razão entre a velocidade do rotor (velocidade linear da 
extremidade da pá) pela velocidade do vento. 
 
Onde: 
r = Raio do rotor, ou comprimento das pás (m) 
w= Velocidade do rotor, ou seja, das pás (rad/s) 
V = velocidade do vento (m/s) 
 
Se Ω > 3, a turbina eólica é rápida 
Se Ω < 3, a turbina eólica é lenta 
 
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2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 27 
 Coeficiente de Potência para vários tipos de turbinas eólicas : 
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2. Potencial Eólico 
Rebeca Catunda P. M. 28 
 Velocidade em RPM: 
 Torque da Turbina: 
As turbinas de rotação lenta como as turbinas de múltiplas pás têm alto 
torque, já as turbinas de duas ou três pás, tem características como alta 
velocidade de rotação e baixo torque. 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 29 
Aplicação 
Rebeca Catunda P. M. 29 
Exercício 3: Considerando uma cidade do Nordeste Brasileiro com temperatura 
de 30oC e com velocidade do vento 7 m/s. Determine os seguintes parâmetros 
abaixo para uma turbina eólica com configuração de duas pás de alta 
velocidade e com diâmetro de 20 m. 
a) A potência disponível do vento; 
b) A potência máxima extraída; 
c) A potência possível da turbina; 
d) A velocidade de rotação da turbina em RPM; 
e) O torque a que a turbina está sujeita. 
 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 30 
Aplicação 
Rebeca Catunda P. M. 30 
Exercício 4: Pretende dimensionar-se as pás de um aerogerador a velocidade 
fixa por forma a obter uma potência mecânica de 750 kW com uma velocidade 
de vento de 13,8 m/s. Considera-se um coeficiente de potência Cp de 0,2. Qual 
deverá ser o comprimento da pá, ou seja, o raio do círculo varrido pela 
turbina? Considere a densidade do ar igual a 1,25 kg/m3. 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 31 
Aplicação 
Rebeca Catunda P. M. 31 
Exercício 5: Os dados de um aerogerador de 300 kW são: 
 
 Diâmetro da área varrida pelas pás : 28 m 
 Área varrida pelas pás : 615 m² 
 Velocidade nominal do vento : 14 m/s 
 Velocidade nominal de rotação do rotor : 43 rpm 
 A densidade do ar é de 1,225 kg/m3 
 
a) Que percentagem da energia do vento é que se recupera no ponto de 
funcionamento nominal do sistema? 
b) Trata-se de um aerogerador rápido ou lento? 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 32 
Aplicação 
Rebeca Catunda P. M. 32 
Exercício 6: Computar o coeficiente de potência Cp para uma turbina Vestas 
V52-850 kW, para velocidades do vento de 10 m/s e 15 m/s. Considere a 
relação de velocidade periférica de 10 e as seguintes especificações da turbina: 
 
• Velocidade mínima admissível = 4 m/s 
• Velocidade máxima admissível = 25 m/s 
• Velocidade nominal = 16 m/s 
• Área varrida = 2124 m2 
• Velocidade angular do rotor = 14 - 31.4 rpm 
 
 Outros dados: 
• P = 101300 Pa 
• T = 303 k 
• R = 287 J/kg.K 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 33 
Aplicação 
Rebeca Catunda P. M. 33 
PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 34 
Obrigada!