Resumo energia eólica cap 3 e 4

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Universidade Estácio de Sá
Curso Engenharia Elétrica
Professor Ricardo de Souza Toscano
Tópicos em Energia Renovável
Resumo Energia Eólica Capítulos 3 e 4 
Igor da Costa Santos
Murilo César Pereira de Souza
Victor de Faria Messias
Rio de Janeiro 2020.1
Turbinas Eólicas 
A extração da energia cinética do vento é realizada por máquinas chamadas de turbinas eólicas. As turbinas eólicas ou “ cataventos” ou moinhos de ventos” são utilizadas há muito tempo para moagem de grão com registros de uso datados de 3000aC. Para acionamento de máquinas em torno de 300aC. Na China e 200aC. Na Pérsia.
Tipos de Turbinas
Turbinas de arraste
São aquelas que o vento empurra as pás. O coeficiente de arrasto depende da forma da pá, variando conforme seu desenho e dimensões, geralmente apresentando valores inferiores a 2,0. O vento fluindo sobre as pás provoca o surgimento de força de arraste dada por: 
Onde: 
 = força de arraste aerodinâmico (N) 
 = massa específica do ar (kg/) 
 = velocidade do vento (m/s) 
 = coeficiente de arrasto adimensional 
A = área da pá () 
Nas turbinas de arraste a velocidade da pá não pode ser maior que a velocidade do vento o que limita sua eficiência.
Turbinas de Sustentação
 Utilizam aerofólios como pás similares às asas dos aviões. O fluxo de ar é obrigado a mudar de direção na pá, variando sua velocidade. A força de sustentação (Fs) é dada por: 
 = força de sustentação (N) 
 =massa específica do ar (kg/) 
 = velocidade do vento (m/s) 
 = coeficiente de sustentação (adimensional) 
 = área da superfície da pá ()
O coeficiente de sustentação é muitas vezes chamado de coeficiente de empuxo e depende das dimensões e características aerodinâmicas da pá.
Orientação do eixo das turbinas eólicas 
Podem ser construídas com o eixo horizontal e vertical. Os rotores de eixo horizontal precisam se manter perpendiculares à direção do vento para capturarem o máximo de energia. O tipo utilizado hoje para geração de energia em larga escala é horizontal, fica com o gerador instalado no alto, junto à turbina. As turbinas Darrieus e Savonius são exemplos de turbinas com eixos verticais.
· Turbina Savonius 
Possui torque de partida médio ou alto (para rotores copostos). A velocidade do rotor é baixa e é utilizada para bombeamento e moagem.
· Turbina Darrieus 
É usada para geração de enegia elétrica pela alta velocidade do rotor, movendo-se mais rápido que o vento.
· Turbinas Darrieus-Savonius 
Apresenta a vantagens dois dois tipos
Extração da Potência do Vento 
A figura apresenta o fluxo de ar através de uma turbina eólica de eixo horizontal. A vazão de ar pode ser representada pelo tubo de vazão mostrado abaixo
Uma turbina eólica somente pode extrair do vento 16/27 da potência disponível no vento ou 59,3%. Esse valor é chamado de “Máximo de Betz” ou “Coeficiente de Betz”.
Coeficiente de potência de uma turbina eólica 
Uma turbina eólica ideal pode extrair do vento no máximo 59,3% da potência disponível no vento. A turbina real somente fará a extração de parte de valor máximo já que há perdas aerodinâmicas na conversão de energia eólica.
O coeficiente de potência Cp indica a relação entre a potência realmente extraída do vento por uma turbina eólica e a potência disponível no vento, sendo: 
 
Sendo 
Pe= potência extraída pelo rotor 
Pdisp= disponível no vento
Onde: 
Cp=coeficiente de potência de uma turbina eólica (adimensional) 
Pt= potência produzida pela turbina eólica (W); 
ρ=massa específica do ar (kg/m3) 
A= área da seção transversal (m2) 
v= velocidade do vento livre antes da turbina (m/s)
O coeficiente de potência Cp varia com a velocidade do vento e deve-se ao fato das pás do rotor alterarem suas eficiências aerodinâmicas em função da variação da velocidade do vento incidente. Na prática temos Cp entre 0,30 e 0,45.
Velocidade de ponta de uma turbina eólica.
 É a relação entre a velocidade tangencial na ponta da pá do rotor eólico e a velocidade do vento incidente na turbina 
Onde: 
λ=velocidade de ponta (adimensonal) 
u=velocidade tangencial na ponta da pá (m/s) 
v= velocidade do vento incidente na turbina (m/s) 
w= velocidade angular da pá da turbina (rad/s) 
R= raio do rotor da turbina (m) 
 
A velocidade angular é dada por: 
 
Onde: 
W= velocidade angular da pá da turbina (rad/s) 
N= rotação do rotor da turbina 
(A equação acima é para converter de rpm para rad/s) 
 
Se λ=1, a velocidade da ponta da pá será igual a velocidade do vento . A relação de velocidade de ponta na velocidade nominal da turbina é: 
Onde: 
λn=relação de velocidade de ponta para a velocidade nominal da turbina (adimensional) 
d= diâmetro do rotor da turbina (m) 
n= rotação da turbina (rpm) 
vn= velocidade nominal da turbina (m/s)
Para qualquer outra velocidade do vento v, podemos obter o valor de λ para a máquina em função da relação de velocidade de ponta nominal λn pela equação a seguir: 
 
Onde: 
λ=velocidade de ponta (adimensional) 
λn= relação da velocidade de ponta para a velocidade nomina da turbina (adimensional) 
vn = velocidade nominal da turbina (m/s) 
v= velocidade do vento incidente na turbina (m/s) 
Cálculos Energéticos Exemplo de aplicação. Cálculo de: 
a) energia anual produzida 
b) utilização anual da potência instalada 
c) coeficiente de potência 
Tabelas: 
v x fr, v x Pe 
V média = 7,5 m/s 
Aerogerador: 850 kW 
Diâmetro do rotor = 52 m -> raio é de 26 metros 
ρ = 1,225 kg/m3 
Solução: 
1) Seja a seguinte tabela de velocidade x fr 
 
2) A tabela de velocidade x Potência extraída do aerogerador 850KW (dados do fabricante) 
 
3) O produto, para cada velocidade do vento, da frequência com a potência respectiva, fornece o valor esperado para a energia por velocidade média do vento, como mostrado na figura. 
 
 
 
Produção de energia anual: Multiplicação da frequência relativa pela potência extraída do aero gerado (tabela do fabricante) somada, para todas as velocidades do vento:
 Pás de uma turbina Eólica
As turbinas eólicas de eixo horizontal podem ser fabricadas com diferentes números de pás no seu rotor. 
Número de pás de uma turbina eólica 
Uma pá rodando no espaço que já foi ocupada por outra corta um ar perturbado e dessa forma, reduz a velocidade do rotor. Entretanto, um maior número de pás aumenta o torque sobre o eixo do rotor. Portanto, quanto menor for o número de pás, mais rápido o rotor gira. A regra geral para otimizar o número de pás de um rotor eólico é: 
· a geração elétrica exige alta velocidade e baixo torque, requerendo turbinas com poucas pás; 
· o bombeamento de água e os moinhos requerem grande torque e baixa velocidade, então são usadas turbinas com várias pás; 
Rotor com duas pás é comum, mas seu movimento também não é estável e o impacto visual pode ser levemente perturbador uma vez que apresenta velocidade maior que um rotor de três pás. Também emite mais ruído. 
O rotor de três pás tem movimento mais suave e estável, resultando em impacto visual menor. O balanceamento é mais fácil e apresenta vibrações e emissões de ruídos menores.
Controle de potência e velocidade das turbinas eólicas
Controle por estol 
Controle por estol (stall control) é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas e não podem ser giradas em torno de seu eixo longitudinal. O ângulo de passo é escolhido de tal maneira que para a velocidade de vento 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 regiões de turbulência entre esse fluxo e a superfície (da pá). Isso reduz a força de sustentação e aumenta a força de arrasto, controlando a potência de saída. São turbinas mais simples do que as com controle por passo, com as seguintes vantagens: 
· inexistência de sistemas de controle de passo 
· estrutura do cubo do rotor mais simples; 
· menos manutenção devido a um número menor de peças móveis; 
· autocontrole da potência.
 
Controlede passo 
O controle de passo (pitch control) e um sistema de controle ativo que necessita de um sinal do gerador de potência. Sempre que a potência nominal do gerador for ultrapassada, devido ao aumento das velocidades do vento, as pás do rotor serão giradas e torno de seu eixo longitudinal, mudando o ângulo de ataque do fluxo de ar. Isso diminui as forças aerodinâmicas atuantes e a extração da potência do vento pela turbina. As pás podem girar em torno de 90º. de forma encontrar o ângulo de ataque adequado. Desta forma o fluxo em torno dos perfis é bem aderente a superfície, produzindo sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto. O ângulo de ataque é escolhido para produção de apenas a potência nominal da turbina. Sob condições de vento severas, para manter a potência constante, altera-se o ângulo da pá para produzir o estol e dessa forma a perda de sustentação suficiente para manutenção da potência.
Vantagens: 
· permitem controle da potência ativa sob todas as condições de vento; 
· podem alcançar a potência nominal mesmo sob condições de baixa massa específica do ar, como em grandes altitudes e altas temperaturas; 
· maior produção de energia sob as mesmas condições, sem diminuição da eficiência na adaptação ao estol da pá. 
· partida simples do rotor pela mudança do passo; 
· dispensa o uso de grandes freios para paradas de emergência, feitas pela mudança do passo (freio aerodinâmico) 
· cargas das pás do rotor decrescentes para ventos acima da potência nominal; 
· posição de embandeiramento das pás do rotor para ventos extremos; 
· massa das pás do rotor menores. 
 
O coeficiente de potência para uma turbina eólica com controle de passo é expresso por: 
Onde: 
Cp= coeficiente de potência (adimensional) 
θ= ângulo de passo 
λ= relação de velocidade da pá, ou velocidade de ponta (adimensional)
Controle de estol ativo 
É um sistema híbrido misturando o controle de estol e de passo. O rotor e girado de forma que as pás atinjam uma menor sustentação.
Vantagens: 
· São necessárias mudanças muito pequenas no ângulo do passo para controla a potência 
· possibilidade de controle de potência sob condições de potência parcial, no caso de ventos baixos; 
· construção mais simples do que turbinas com controle de passo.
Partes de um aerogerador 
Os aerogeradores são formados por diversas partes e sistemas, conforme a figura abaixo:
· Pás 
São os perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o vento convertendo parte de sua energia cinética em trabalho mecânica. São fabricadas em fibra de vidro, reforçadas com epóxi e/ou madeira. A fixação no cubo é feita pela inserção de raiz em aço inoxidável. 
Nas turbinas que usam controle de velocidade por passo, a pá dispõe de rolamentos e sua base, possibilitando que gire para alterar o ângulo de ataque.
· Cubo das pás 
É a ponta do eixo da turbina, e fora de cubo, onde são fixadas as pás por meio de flanges; é constituído de aço ou liga de alta resistência. Todo o maquinário no seu interior é dividido em partes compactas, cada uma com um tamanho tal que, mesmo para aerogeradores grandes, permite seu transporte para montagem no local. 
· Eixo 
Responsável pelo acionamento do gerador, transferindo a energia mecânica da turbina. Constituído de aço ou liga de alta resistência.
· Nacele 
É a carcaça montada sobre a torre onde se situam o gerador, a caixa de acoplamento- quando utilizada- e os demais dispositivos do aerogerador, localizados no alto, junto à turbina. O tamanho e o desenho variam de modelo para modelo, dependendo da disposição dos componentes, do uso ou não de caixa de engrenagens e do design adotado pelo fabricante.
· Torre 
Estrutura com a função de elevar a turbina do solo até uma altura conveniente, onde o vento tem maior velocidade e o desempenho do aerogerador será maior. Pode ser tubular cônica ou treliçada. 
· As torres cônicas podem ser construídas em aço ou concreto, enquanto as treliçadas são construídas em aço. No topo da torre é montado um rolamento chamado de rolamento principal que possibilita o movimento da nacele e consequentemente, da turbina, de forma a permitir o alinhamento dessa com o vento.
· Fundações
 A fundação ou base, é uma estrutura de concreto armado responsável pela sustentação do aerogerador. 
· Sistemas de mudança de direção 
Montado dentro da nacele, o sistema tem a função de alinhar a turbina com o vento. Dispõe de um sistema eletrônico que verifica a direção do vento e gira a turbina, caso necessário. Um motor elétrico é responsável pelo movimento da nacele que gira e sobre a torre com o auxílio do rolamento principal. Também é composto por engrenagens para ajustar a velocidade do giro. A mudança de direção é feita a baixa velocidade, geralmente menor que 0,5º/s de forma a evitar turbulências e esforços extras à turbina.
· Caixa de engrenagens 
A turbina gira a baixas velocidades, enquanto o gerador elétrico apresenta altas velocidades e para seu acoplamento, é usada uma caixa multiplicadora ou redutora. Alguns modelos de aerogeradores dispensam esse dispositivo, fazendo o acoplamento direto da turbina com o gerador. Neste caso são utilizados geradores de rotação menor com elevado número de polos no seu rotor do tipo gerador de polos salientes com estator em fora de anel.
· Unidade hidráulica 
Uso de caixas de engrenagem exige a necessidade de óleo para lubrificação e refrigeração. Para tal há um sistema hidráulico com bombas, trocadores de calor e sistemas de comando, supervisão e controle. Nos aerogeradores onde o acoplamento da turbina e do gerador é direto, esse sistema é desnecessário.
· Freio 
É de aço e geralmente em forma de disco. Usado para paradas de emergências ou em tempestades. Alguns fabricantes recomendam que se mantenha o aerogerador freado quando fora de operação.
· Unidade de controle
Responsável pelo controle elétrico e supervisão do aerogerador e dos sistemas periféricos. Os equipamentos e sistemas que a compões são montados na nacele e na base da torre, no seu interior. Na narcele, geralmente se situam os sensores medidores, motores, e, enquanto que na base da torre, no seu interior, se situa o painel de controle com sistemas digitais e analógicos usados no controle e supervisão do aerogerador. Dispõe de um quadro de alarmes e sistemas de comunicação que permite a supervisão e o controle à distância.
· Medidores de Vento 
São montados sobre a nacele com o objetivo de medir a velocidade e a direção do vento. A velocidade do vento é medida pelo anemômetro e a direção pela biruta. AS medições alimentam o sistema de controle e servem para monitoração odo desempenho do aerogerador.
· Gerador 
Aerogeradores podem utilizar tanto geradores síncronos como assíncronos. Os aerogeradores de velocidade variável que tem capacidade de controlar através de excitação, a tensão e a potência reativa gerada, o que é impossível nos geradores assíncronos. Entretanto como a tensão é diretamente proporcional à velocidade de rotação do rotor, o que pode exigir o uso de sistemas de conversão de frequência (retificar e utilizar um inversor) 
Alguns aerogeradores utilizam mais de um gerador de potências diferentes. Um para operar na potência nominal do aerogerador e outro, de menor potência para o início da operação e permite que a velocidade de partida seja bem reduzida ( até 2,5m/s) Quando o aerogerador atinge a velocidade de operação o maior é posto em operação e o menor desligado.
· Transformador 
Equipamento para elevar a tensão ao valor da rede elétrica.
Controle de Frequência de um aerogerador
Aerogerador com velocidade variável. 
O rotor de velocidade variável é combinado com o sistema de controle ângulo de passo. Para manter a máxima eficiência o rotor deve mudar sua velocidade de acordo com a velocidade do rotor baixa e ventos altos com velocidades do rotor altas. A velocidade rotacional varia de 40% a 100% da velocidade nominal. 
Esses aerogeradores utilizam sistemas de conversores, geradores síncronos e geradores de indução duplamente alimentados,ou para faixas de velocidades menores de cerca de 10% um gerador com escorregamento aumentado. 
Vantagens destas máquinas: 
· maior extração de energia do vento; 
· flutuações de potência pequenas com potência nominal. 
· cargas no rotor menores devida à ação de rajadas; 
· pequenas taxas de variação de passo; 
· baixa velocidade do rotor em condições de velocidade do vento baixa reduz consideravelmente a emissão de ruído; 
· possibilita a redução adicional da velocidade do rotor para operação com baixo nível de ruído à noite.
Aerogerador com velocidade constante 
Manter o rotor da turbina eólica com velocidade constante é a maneira mais simples de operar um aerogerador. É usado gerador assíncronos conectado diretamente à rede, com o sincronismo do gerador de indução, o rotor opera com velocidade aproximadamente constante porque o sistema elétrico mais forte, mantém a frequência do gerador e em consequência a velocidade do rotor. O torque da turbina varia de acordo com o escorregamento do gerador, o qual fornecerá maior potência.
Algumas vantagens desses aerogeradores são: 
· não é necessário sistema de controle de velocidade do rotor; 
· regulação da velocidade do rotor simples, através da rede elétrica; 
· necessária somente a monitoração da velocidade do rotor; 
· projetos de custo mais baixo;
Geradores Eólicos 
Os geradores de energia elétrica utilizados em aerogeradores podem ser síncronos ou assíncronos, ligados diretamente à rede elétrica ou por meio de conversores, tipo” back to end” (AC-DC-AC), muitas vezes chamados de link DC.
Aerogerador com gerador assíncrono 
É comum o uso de geradores assíncronos, ou de indução, em aerogeradores. Essas máquinas têm a vantagem de ser de construção simples e barata, além de dispensarem dispositivos de sincronismo. As desvantagens desses geradores dão as altas correntes de partida e sua demanda por potência ativa. 
Aerogeradores com geradores assíncronos podem ser aplicados aos seguintes esquemas: 
a) gerador de indução conectado diretamente à rede; 
b) geradores de indução conectados à rede via conversora;
Gerador com velocidade constante 
Os aerogeradores com velocidade constante utilizam geradores assíncronos conectados diretamente à rede, elétrica. A geração sempre ocorre com velocidade de rotação acima da velocidade síncrona e a operação se dá com velocidade de rotação praticamente constante.
O gerador assíncrono pode ser conectado com controle de escorregamento por meio do controle da resistência do rotor bobinado. O uso de enrolamento rotórico associado a uma resistência variável, em série, permite o controle da velocidade do gerador pela variação do escorregamento, mantendo a frequência elétrica gerador no valor definido pelo sistema elétrico ao qual o aerogerador está conectado. Essa alternativa permite uma melhoria do desempenho do gerador em diferentes velocidades da turbina. 
Gerador de indução duplamente alimentado
Permite a aplicação de uma tensão ao enrolamento do rotor bobinado. Assim obtém-se o controle das potências ativa e reativa do gerador de indução por meio de um controle do tipo vetorial.
Gerador conectado por meio de conversora de frequência
Faz o isolamento galvânico entre o gerador e o sistema. Esse arranjo é utilizado em aerogeradores de velocidade variável uma vez que a tensão gerada está isolada da tensão e da frequência do sistema.
Aerogeradores com gerador síncronos
Geradores síncronos conectados diretamente à rede
È utilizado e aerogeradores de velocidade variável, com controle por passo. Neste caso a turbina deverá ser de velocidade constante, para a frequência da tensão gerada seja ajustada à rede.
Geradores síncronos utilizados em conjunto com conversores de frequência
A conexão e feita por meio de uma conversora de frequência eletrônica formada por um conjunto de retificador e inversor.