Fundamentos da energia eólica 5

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AULA 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FUNDAMENTOS DE ENERGIA 
EÓLICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Felipe Freitas 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
Durante o desenvolvimento de um projeto eólico, um momento muito 
relevante é a escolha do aerogerador, pois, além de custo-benefício e eficiência, 
por exemplo, também existem aerogeradores com distintas tecnologias. 
CONTEXTUALIZANDO 
Além dos aerogeradores com eixo horizontal com três pás consolidados 
como uma tecnologia madura, existem outros aerogeradores, os quais possuem 
o eixo vertical. Estes apresentam limitações pois sua velocidade está limitada à 
velocidade do vento, o que quer dizer que a máxima velocidade que podem atingir 
é velocidade do vento. Por conta dessa e de outras limitações, os aerogeradores 
de eixo vertical não possuem o mesmo espaço que os de eixo horizontal, sendo 
estes, instalados em larga escala, os de maior aplicação. 
TEMA 1 – AEROGERADORES DE EIXO HORIZONTAL E EFICIÊNCIA 
O tipo de aerogerador mais conhecido atualmente no mercado é o de eixo 
horizontal, o qual pode ser classificado em função do número de pás. A Figura 1 
apresenta as diferentes configurações para esse tipo de turbina. 
Figura 1 – Aerogerador de eixo horizontal – número de pás 
 
Fonte: Dewi 
Além da aerodinâmica de cada tipo aerogerador de eixo horizontal, o 
número de pás tem influência na eficiência da turbina, conforme a Figura 2. 
 
 
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Figura 2 – Coeficiente de Betz para cada tipo de turbina 
 
Fonte: Dewi. 
TEMA 2 – PARTES DE UM AEROGERADOR 
Um aerogerador é composto por peças e equipamentos elétricos, 
mecânicos e hidráulicos que, de uma forma geral, formam grandes componentes, 
que são: 
• Fundações: responsável por sustentar toda a turbina. 
• Torre: responsável por elevar a turbina a alturas onde o vento é mais forte. 
• Nacelle: suporte do gerador e equipamentos elétricos, mecânicos etc. 
• Rotor: conjunto das pás que realizam a conversão da energia cinética em 
mecânica. 
• Medidores de vento: sistema de medição composto por anemômetro e wind 
vane (bitura) que auxiliam o controle da turbina. 
• Sistema de pitch: sistema de movimentação das pás. 
• Sistema de yaw: sistema de movimentação da nacelle. 
• Gerador: equipamento que converte a energia mecânica em elétrica. 
• Transformador: equipamento que eleva a tensão do aerogerador. 
• Sistema de controle: responsável pela operação do aerogerador. 
 
 
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TEMA 3 – FUNDAÇÕES E TORRE 
A função da fundação é suportar o peso da torre e da nacelle para fixar e 
assegurar a estabilidade do aerogerador no solo diante de fatores como: ventos 
fortes, intempéries, vibrações etc. Para isso, a fundação deve receber grande 
quantidade de aço e concreto, números que variam para cada modelo de 
aerogerador. A construção da fundação depende dos seguintes aspectos: 
 condições do solo; 
 classe de vento; 
 material e altura da torre; 
 tipos de pás e de rotor; 
 autorização de construção. 
Todos esses aspectos são levados em consideração para a construção de 
uma boa fundação. Nas Figuras 3 e 4 são apresentadas a armadura e uma 
fundação completa, respectivamente. 
Figura 3 – Armação da fundação de um aerogerador 
 
 
 
 
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Figura 4 – Fundação de um aerogerador pronta 
 
“As torres são estruturas 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 de dois tipos: tubular cônica ou treliçada” 
(Freitas, 2015). 
Segundo Cavalari (2016), 
As torres cônicas podem ser construídas em aço ou concreto, enquanto 
que as treliçadas são construídas em aço. No topo da torre é montado 
um rolamento, chamado de rolamento principal, que possibilita o 
rolamento da nacelle e, consequentemente, da turbina, de forma a 
permitir o alinhamento desta com o vento (Cavalari, 2016). 
A Figura 5 mostra uma torre, por fora e por dentro, do tipo tubular, e a Figura 
6 apresenta uma do tipo treliçada. 
 
 
 
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Figura 5 – Estrutura externa e interna de uma torre tubular cônica 
 
Figura 6. Torre treliçada 
 
Fonte: Suzlon. 
 
 
 
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TEMA 4 – NACELLE, ROTOR E MEDIDORES DE VENTO 
A nacelle, a carcaça montada sobre a torre, onde se situam o gerador, a 
caixa de acoplamento 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. (Freitas, 2015) 
As Figuras 7, 8 e 9 apresentam modelos diferentes de nacelle. 
O rotor é formado pelas pás e pelo HUB (cubo). O HUB é a ponta do eixo 
da turbina, em forma de cubo, onde são fixadas as pás, por meio de flanges. É 
construído em aço ou liga metálica 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 o seu transporte para montagem no 
local. 
As pás são os perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o 
vento, convertendo parte de sua energia cinética em trabalho mecânico. 
São fabricadas em fibra de vidro, reforçadas com epóxi. A fixação no 
cubo é feita pela inserção de raiz de aço inoxidável (Freitas, 2015). 
Nas turbinas que usam controle de velocidade por passo (pitch), a pá 
dispõe de rolamentos em sua base, possibilitando que gire para alterar o ângulo 
de ataque. Existe um sistema aerodinâmico das pás chamado TIP, com função 
de diminuir a turbulência e o ruído, como nos aviões, e é a extremidade do para-
raios interno da pá. Geralmente é sinalizada de vermelho. A Figura 10 é de uma 
turbina já com o rotor montado. 
A montagem de um aerogerador é feita no local de operação deste e requer 
uma infraestrutura adequada e um planejamento rigoroso. Para a montagem de 
grandes máquinas, são necessários guinchos de alta capacidade e com lanças 
de elevado comprimento, sempre superior à altura do aerogerador, que pode ser 
de 100 metros ou mais. 
O transporte de componentes de grandes dimensões, como as pás, até o 
local da instalação requer cuidados especiais e, muitas vezes, exige a preparação 
de estradas e acessos, como alargamentos e ajustes nos raios das curvas. A torre 
geralmente é dividida em partes, na fabricação, para facilitar o transporte, sendo 
montada no local. 
Os medidores de vento são montados sobre a nacelle, com o objetivo de 
medir a velocidade e a direção do vento. A velocidade do vento é medida por 
anemômetro do tipo concha, e a direção, por wind vane (biruta). As medições 
alimentam o sistema de controle e servem, ainda, para a monitoração do 
 
 
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desempenho do aerogerador. A Figura 11 exibe sensores montados em uma 
nacelle. 
Figura 7 – Nacelle de aerogerador Suzlon 
 
Figura 8 – Nacelle de aerogerador IMPSA 
 
 
 
 
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Figura 9 – Nacelle de aerogerador GE 
 
Figura 10 – Rotor montado com HUB e pás 
 
 
 
 
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Figura 11 – Sensores de vento montados no aerogerador 
 
TEMA 5 – SISTEMAS DE CONTROLE, DE PITCH E YAW, GERADOR, 
TRANSFORMADOR 
O sistema de pitch é um sistema de controle ativo, que necessita de 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 em torno do seu eixo longitudinal, mudando o ângulo 
de passo (pitch) para aumentar o ângulo de ataque do fluxo de ar. Para 
todas as velocidades do vento superiores à nominal (Freitas, 2015). 
A fim de garantir maior confiabilidade operacional possível, as pás são 
colocadas de forma independente umas das outras. Cada uma é acionada por um 
motor de gaiola de indução com conversor de frequência através de engrenagens 
e um rolamento internamente. A Figura 12 mostra como é a posição do rotor 
quando parado ou em operação. 
O sistema de yaw possui a função de sempremanter a nacelle alinhada 
com a direção do vento para que o aerogerador capture a melhor rajada de vento 
e trabalhe com mais eficiência. Esse sistema é formado pelos seguintes 
componentes: engrenagem do yaw (yaw gear), moto redutores do yaw (yaw 
drives), sensores de posição do yaw (yaw sensor e north position), sensor de 
direção do vento (wind vane) e sensor de cabo torcido (cable twist). 
O princípio básico de funcionamento é: o sensor de direção do vento 
informa ao PLC (computador) do aerogerador a direção do vento. O sensor de 
direção do vento informa ao PLC do aerogerador a direção do vento mais forte. 
 
 
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Já o PLC, através do sistema de controle, verifica em que posição se encontra a 
nacelle e, caso ela não esteja na posição que recebe os ventos mais fortes, o PLC 
atua nos motorredutores do yaw, que giram a nacelle de forma que sempre fique 
na posição para receber o vento mais forte. A Figura 13 apresenta a sequência 
de funcionamento de um sistema yaw. 
Figura 12 – Posições do rotor a partir do controle do pitch 
 
Fonte: CTGAS-ER. 
 
 
 
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Figura 13 – Funcionamento do sistema yaw 
 
O gerador é o responsável pela produção de energia elétrica. 
Aerogeradores podem utilizar tanto geradores síncronos como assíncronos, 
dependendo do modelo, da potência e das condições de uso. 
Alguns modelos de aerogeradores usam mais de um gerador, de 
diferentes potências. Um gerador de potência maior é projetado para 
operar na potência nominal do aerogerador, operando a partir de uma 
determinada velocidade do vento. Outro gerador, de potência menor, é 
utilizado no início da operação e permite que a velocidade de partida seja 
bem reduzida (até 2,5m/s), melhorando a performance do aerogerador. 
O menor gerador é desligado quando a velocidade do vento alcança um 
valor maior, momento no qual o maior gerador é posto em operação. 
(Freitas, 2015). 
A Figura 14 expõe um gerador elétrico comumente instalado em 
aerogeradores. 
O transformador é o equipamento elétrico que eleva a tensão de geração 
ao valor da rede elétrica ao qual o aerogerador está conectado. Pode ser instalado 
no chão, próximo ao aerogerador ou na torre, tanto internamente quanto no lado 
de fora, preso a uma altura intermediária. A Figura 15 exibe transformadores que 
são utilizados na base de aerogeradores. Já o sistema de é responsável pela 
integração de todos esses equipamentos de modo que o aerogerador opere 
conforme foi projetado e para que seja possível extrair o máximo de sua eficiência. 
 
 
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Este consegue parar, resetar e operar o aerogerador, bem como visualizador o 
status e todos os alarmes sinalizados pelos sensores da turbina. 
Figura 14 – Gerador elétrico 
 
Fonte: Ziatech. 
Figura 15 – Transformadores para aerogeradores 
 
 
 
 
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FINALIZANDO 
Nesta aula, foi possível conhecer os principais componentes que formam 
um aerogerador. A partir desse conhecimento, é possível ter um melhor 
entendimento de como eles funcionam e como são capazes de gerar energia 
elétrica.
 
 
REFERÊNCIAS 
CAVALARI, G. M. Avaliação de perdas elétricas devido ao ponto de 
interconexão do sistema de geração eólica na rede elétrica. 60 f. Monografia 
(Graduação em Engenharia) – Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, 
2016. 
DEWI (Instituto Alemão de Energia Eólica). Seminário de Energia Eólica: 
Técnica, Planejamento, Economia e Riscos. Rio de Janeiro, 2009. 
FREITAS, F. Defina de Maneira Sucinta o que é Energia Eólica. Exercício EAD 
– Centro de Tecnologia em Gás e Energias Renováveis (CTGÁS-ER), 2015. 
SUZLON. Disponível em: <http://www.suzlon.com/media-room>. 
VILLENA, J. E. N., Tecnologia de Geração Eólica, Centro de Tecnologia em Gás 
e Energias Renováveis (CTGÁS-ER), 2011. 
ZIATECH Consultoria. Curso de Operação e Manutenção de Parques Eólicos. 
Fortaleza, 2011.