Fundamentos de Energia Eólica

Prévia do material em texto

AULA 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FUNDAMENTOS DE ENERGIA 
EÓLICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Felipe Freitas 
 
 
 
02 
CONVERSA INICIAL 
Uma parte fundamental para o aproveitamento da energia eólica é saber 
como convertê-la da forma mais eficiente possível, e para isso existem normas 
que regem as melhores práticas em medição de vento, fabricação e 
desenvolvimento de aerogeradores, bem como a medição do seu desempenho. 
CONTEXTUALIZANDO 
Toda máquina desenvolvida pelo homem possui uma eficiência máxima, 
seja um aerogerador, uma turbina de avião, um gerador hidráulico, um gerador 
solar ou uma máquina a vapor. 
Fisicamente, em qualquer processo de conversão e utilização de energia, 
é possível converter uma parcela da energia de entrada, e o resto normalmente é 
desperdiçado. Isso não significa que as máquinas existentes são ineficientes, mas 
sim que, fisicamente, o homem chegou próximo do máximo de eficiência teórica 
que pode ser alcançada em diversos processos. 
TEMA 1 – LIMITE DE BETZ 
Para um aerogerador ser 100% eficiente, ele precisaria provocar uma paragem 
total na massa de ar em deslocamento que ocupa a área A1 mostrada na Figura 
1. Nesse caso, em vez de pás seria necessária uma massa sólida cobrindo 100% 
da área de passagem e o rotor não rodaria e, portanto, não converteria a energia 
cinética em mecânica. 
Foi um físico alemão que, em 1919, concluiu que nenhuma turbina eólica pode 
converter mais do que 16/27 (59.3%) da energia cinética do vento em energia 
mecânica no rotor. Até aos dias de hoje isso é conhecido como Limite de Betz ou 
Lei de Betz. Esse limite nada tem a ver com ineficiências no gerador, mas sim 
com a própria natureza das turbinas eólicas. 
Na Figura 2 é mostrada a potência disponível no vento por metro quadrado e 
a potência utilizável por metro quadrado (considerando o Limite de Betz). 
 
 
 
03 
Figura 1 – Mudança da velocidade do vento após a passagem por um aerogerador 
 
Fonte: Villena, 2011. 
Figura 2 – Potência disponível no vento e potência utilizável do vento em função 
da velocidade do vento 
 
 Fonte: CTGÁS-ER, 2012. 
TEMA 2 – DISTRIBUIÇÃO DE FREQUÊNCIA 
A forma mais utilizada para apresentar o comportamento de velocidade do 
vento durante um ano é distribuição de frequência. Nesse gráfico são mostradas 
as horas de vento por ano em função de cada velocidade de vento. Então, 
analisando-se o gráfico da Figura 3, podemos observar que durante um ano foram 
registradas aproximadamente 320 horas com uma velocidade média de 1 m/s e 
 
 
04 
570 horas com uma velocidade média de 2 m/s. É importante ressaltar que para 
o cálculo desse gráfico são consideradas 8.760 horas para um ano. 
Figura 3 – Distribuição de frequência das velocidades do vento durante um ano 
 
Fonte: CTGÁS-ER, 2012. 
TEMA 3 – CURVA DE POTÊNCIA DE UM AEROGERADOR 
Na Figura 4 é mostrada a curva de potência para um aerogerador. 
Analisando a curva de potência do aerogerador, podemos observar três 
parâmetros importantes de um aerogerador: 
a. Velocidade de partida: é a velocidade em que o aerogerador começa a 
gerar potência (2 m/s, no caso da Figura 4). 
b. Velocidade da potência nominal: é a velocidade na qual o aerogerador 
atinge a potência nominal (13 m/s, no caso da Figura 4). 
c. Velocidade de parada: é a velocidade em que o aerogerador deixa de gerar 
para evitar danos estruturais resultantes das velocidades elevadas de 
vento (25 m/s, no caso da Figura 4). 
 
 
 
05 
Figura 4 – Curva de potência do aerogerador E82 
 
Fonte: Wobben, 2017. 
A curva de potência de um aerogerador mostra que potência é gerada para 
cada velocidade. Um mesmo fabricante pode ter um aerogerador com diversos 
modelos e curvas diferentes. Os principais fatores que influenciam na curva de 
potência são densidade do ar e design das pás. Geralmente a curva de potência 
é apresentada também como uma tabela, como a apresentada a seguir. 
 
 
 
06 
Tabela 1 – Curva de potência do aerogerador E82 
Velocidade do vento m/s Potência (kW) Coeficiente de potência (-) 
1 0.0 0.0 
2 3.0 0.12 
3 25.0 0.29 
4 82.0 0.40 
5 174.0 0.43 
6 321.0 0.46 
7 532.0 0.48 
8 815.0 0.49 
9 1,180.0 0.50 
10 1,580.0 0.49 
11 1,810.0 0.42 
12 1.980,0 0.35 
13 2,050.0 0.29 
14 2,050.0 0.23 
15 2,050.0 0.19 
16 2,050.0 0.15 
17 2,050.0 0.13 
18 2,050.0 0.11 
19 2,050.0 0.09 
20 2,050.0 0.08 
21 2,050.0 0.07 
22 2,050.0 0.06 
23 2,050.0 0.05 
24 2,050.0 0.05 
25 2,050.0 0.04 
 
Fonte: Wobben, 2017. 
TEMA 4 – CÁLCULO DA ENERGIA ANUAL GERADA 
Para poder calcular a produção de um determinado aerogerador turbina em 
um lugar específico é necessário conhecer duas coisas: a curva de potência do 
aerogerador e como se comporta o vento nesse local. 
A informação acerca do vento deve ser bastante detalhada. Não é 
suficiente conhecer a velocidade média anual, também é preciso conhecer a 
distribuição de frequências: quantas horas por ano a velocidade do vento será 1, 
2, 3, 4 metros por segundo. Além da velocidade do vento, deve-se conhecer a 
altura de cubo. 
Se essa informação está disponível, é bastante simples realizar o cálculo. 
Multiplica-se a potência para cada velocidade do vento pela quantidade de horas 
que esse vento ocorre. As distribuições da frequência de vento podem estar 
disponíveis tanto em horas por ano como em porcentagem de tempo. No segundo 
 
 
07 
caso, simplesmente se multiplica a percentagem pelo número de horas em um 
ano: 8.760. 
A Tabela 2 mostra o cálculo da potência gerada por um aerogerador 
utilizando os dados de distribuição de frequências mostrada na Figura 3 e os 
valores da curva da potência de um aerogerador da Tabela 1. Para uma grande 
quantidade de dados são necessárias ferramentas matemáticas que façam o 
rápido tratamento dos dados para obtenção dos resultados. 
Tabela 2 – Cálculo da energia anual para um aerogerador 
Velocidade do vento (m/s) Potência (kW) Horas/ano Potência anual (kWh/ano) 
1 0,0 320,0 0 
2 3,0 570,0 1710 
3 25,0 740,0 18500 
4 82,0 870,0 71340 
5 174,0 900,0 156600 
6 321,0 930,0 298530 
7 532,0 870,0 462840 
8 815,0 800,0 652000 
9 1180,0 680,0 802400 
10 1580,0 580,0 916400 
11 1810,0 430,0 778300 
12 1980,0 330,0 653400 
13 2050,0 230,0 471500 
14 2050,0 190,0 389500 
15 2050,0 90,0 184500 
16 2050,0 80,0 164000 
17 2050,0 50,0 102500 
18 2050,0 40,0 82000 
19 2050,0 30,0 61500 
20 2050,0 20,0 41000 
21 2050,0 7,0 14350 
22 2050,0 3,0 6150 
23 2050,0 0,0 0 
24 2050,0 0,0 0 
25 2050,0 0,0 0 
Total 8760,0 6329020 
 
 
08 
 
Na Tabela 2 observa-se que o aerogerador, nessas condições de vento, gerará 
6,3 GWh/ano. Na Figura 5 são mostradas as curvas da potência disponível no 
vento, potência utilizável do vento e a potência gerada por um determinado 
aerogerador em função da velocidade do vento. 
Figura 5 – Potência disponível no vento, potência utilizável e potência realmente 
convertida em função da velocidade do vento 
 
Fonte: CTGÁS-ER, 2012. 
TEMA 5 – NORMALIZAÇÃO DA ENERGIA EÓLICA 
Segundo a apostila elaborada para o CTGÁS-ER (2012), 
normalização é uma atividade coletiva de elaboração de documentos 
contendo conhecimentos técnicos em forma de regras, diretrizes, ou 
características com um alto grau de ordenação que sejam destinados ao 
uso comum e repetitivo. O principal produto desta atividade é a norma, 
que deve ser estabelecida por consenso e aprovada por um organismo 
reconhecido. 
Menciona-se ainda que 
normalização desenvolve-se fundamentalmente através de organismos 
nacionais, regionais e internacionais. Os organismos nacionais buscam 
a harmonização dos interesses do governo, indústria, consumidores e 
 
 
09 
comunidade científica de seu país enquanto que os internacionais unem 
ações normativas resultantes de cooperações e acordos entre diferentes 
países. Há ainda algumas organizações e empresas que possuem seu 
sistema de normalização próprio. De uma forma geral, quantomais 
restrito o âmbito de elaboração da norma, mais restritiva é a norma 
elaborada, por trazer mais especificidades locais. Normas internacionais 
tendem a ser mais genéricas. (CTGÁS-ER, 2012) 
Observa-se ainda que, na área de energia eólica, 
a Agência Internacional de Energia (International Energy Agency – IEA) 
publicou várias recomendações técnicas a partir dos anos 1980 que 
tiveram grande influência nas práticas adotadas pela indústria e vieram 
a ser adotadas por normas desenvolvidas posteriormente. As principais 
recomendações técnicas da IEA voltadas para a indústria eólica são: 
1. Desempenho de Geração (Power Performance), 1990 
2. Custo da Energia de Aerogeradores (Cost of Energy from WECS), 
1994 
3. Carregamentos de Fadiga (Fatigue Loads), 1990 
4. Medição da Emissão de Ruídos (Measurement of Noise Emission), 
1994 
5. Interferência Eletromagnética (Electromagnetic Interference), 1986 
6. Segurança Estrutural (Structural Safety), 1988 
7. Qualidade de Energia (Quality of Power), 1984 
8. Glossário de Termos (Glossary of Terms), 1993 
9. Proteção contra Raios (Lightning Protection), 1997 
10. Medição da Exposição ao Ruído (Measurement of Noise Emmision), 
1997 
11. Medição da velocidade do vento (Wind Speed Measurement), 1999. 
(CTGÁS-ER, 2012) 
Segundo o CTGÁS-ER (2012), 
atualmente, as normas técnicas internacionais de energia eólica 
englobam requisitos de segurança, técnicas de medição e 
procedimentos de testes de equipamentos são desenvolvidas pelo 
Comitê Técnico 88 da Comissão Eletrotécnica Internacional 
(International Electrotechnical Commission - IEC). Este comitê é formado 
por representantes de 25 países, tendo ainda a participação de 13 
países observadores. O Brasil é um dos países observadores na IEC, 
sendo representado pelo COBEI, Comitê Brasileiro de Eletricidade, 
Eletrônica, Iluminação e Telecomunicações através de um acordo com 
a ABNT. As normas e especificações técnicas (TS) atualmente em vigor 
sob responsabilidade do TC 88 são: 
• IEC 61400-1: Requisitos de projeto (Design requirements) - Edição 
3.0 (2005). É a principal norma sobre o assunto, define os requisitos 
de projeto para aerogeradores de grande porte. 
• IEC 61400-2: Requisitos de projeto para turbinas eólicas de pequeno 
porte (Design requirements for small wind turbines) - Edição 2.0 
(2006). É equivalente a norma parte 1, porém voltada para 
aerogeradores de pequeno porte, ou seja, com raio do rotor inferior a 
8 m e nível de tensão de geração inferior a 1.000 V em corrente 
alternada, ou 1.500 V em corrente contínua. 
• IEC 61400-3: Requisitos de projeto para turbinas eólicas offshore 
(Design requirements for offshore wind turbines) - Edição 1.0 (2009). 
Também é equivalente a norma parte 1, porém voltada para 
aerogeradores fabricados para serem instalados no mar 
• ISO 81400-4: Projeto e especificação de caixas de engrenagens 
(multiplicador de velocidade) (Design and specification of gearboxes) 
- Edição 1.0 (2006). Esta norma traz requisitos para projeto, 
fabricação e verificação de caixas de engrenagem com objetivo de 
garantir uma alta confiabilidade operacional. Sua elaboração foi 
iniciada em 1993, quando a Associação Americana de Fabricantes 
 
 
010 
de Engrenagens – AGMA, tornou-se responsável pela secretaria do 
comitê técnico 60 da Organização Internacional de Normalização - 
ISO, sendo publicada inicialmente como a recomendação 
AGMA/AWEA 6006-A03 em 1996 e como uma norma nacional 
americana em 2003. 
Além disso, afirma-se ainda que 
apesar de normas internacionais sobre engrenagem serem normalmente 
escopo da ISO, por se tratar de um tema estratégico sobre 
aerogeradores, foi montado um grupo misto entre o TC60 da ISO e o 
TC88 da IEC, passando a ser adotada pela ISO a partir de 2005 de forma 
reconhecida pela IEC. Esta norma está em revisão e deverá ser 
publicada como IEC 61400-4 a partir de 2012. 
• IEC 61400-11: Técnicas de medição de ruído acústico (Acoustic 
noise measurement techniques) - Edição 2.1 (2006). Define a 
metodologia para medição da emissão de ruído acústico dos 
aerogeradores. 
• IEC 61400-12-1: Medições de desempenho de geração (Power 
performance measurements of electricity producing wind turbines) - 
Edição 1.0 (2005). Define as técnicas para medição da potência de 
geração da turbina eólica e definição da sua curva de potência. 
• IEC/TS 61400-13: Medição de carregamentos mecânicos 
(Measurement of mechanical loads) - Edição 1.0 (2001). Esta 
especificação técnica apresenta os procedimentos para medição dos 
carregamentos mecânicos com a finalidade de efetuar a validação 
dos cálculos de projeto e determinação da magnitude dos 
carregamentos atuantes no aerogerador sob condições específicas. 
O procedimento divide as condições de medição em duas categorias: 
regime permanente e eventos transientes, equivalentes às premissas 
de projeto definidas na IEC 61400-1. (CTGÁS-ER, 2012) 
A apostila acrescenta ainda: 
as medições dos principais esforços devem ser realizadas 
preferencialmente por extensômetros (“strain gauges”) aplicados em 
locais adequados da pá, do eixo e da torre do aerogerador, os quais 
devem ser calibrados após instalação e suas grandezas medidas, 
verificadas. Além das medições de esforços, também devem ser 
medidas as condições do vento (velocidade, turbulência, direção e 
densidade) e os parâmetros operacionais do aerogerador (velocidade de 
rotação, erro de yaw, potência elétrica e ângulo de passo). 
• IEC/TS 61400-14: Declaração do nível de potência sonora aparente 
e dos valores de tonalidade (Declaration of apparent sound power 
level and tonality values) - Edição 1.0 (2005). Especificação técnica 
que define os métodos para a declaração do nível de potência sonora 
e os valores das componentes tonais emitidos pelas turbinas eólicas. 
• IEC 61400-21: Medição e avaliação das características de qualidade 
de energia de aerogeradores conectados a rede (Measurement and 
assessment of power quality characteristics of grid connected wind 
turbines) - Edição 2.0 (2008). Define os métodos para medir a 
qualidade do sinal elétrico produzido por turbinas eólicas. 
• IEC 61400-22: Ensaios de conformidade e certificação (Conformity 
testing and certification) - Edição 1.0 (2010). Define as regras e 
procedimentos para certificação de tipo da turbina eólica e para 
certificação de projetos de parque eólico instalado em terra ou no 
mar. 
• IEC/TS 61400-23: Testes estruturais das pás do rotor em escala real 
(Full-scale structural testing of rotor blades) - Edição 1.0 (2001). Cada 
novo tipo de pá fabricado deve ser testado em escala real para 
verificação de seu projeto estrutural e da adequação dos processos 
de fabricação. Os testes descritos nesta especificação técnica têm 
 
 
011 
como objetivo verificar se a pá resiste às tensões estáticas e de fadiga 
definidas em seu projeto. 
• IEC/TR 61400-24: Proteção contra raios (Lightning protection) - 
Edição 1.0 (2010). Este relatório técnico da IEC traz vários aspectos 
sobre a proteção contra descargas atmosféricas em turbinas eólicas, 
desde o status atual do conhecimento sobre o fenômeno e seus 
impactos sobre aerogeradores, tendo como base o histórico de vários 
casos de equipamentos atingidos por raios. Até o procedimento para 
avaliação de risco e aplicação de métodos apropriados para proteção 
contra descargas atmosféricas. 
• IEC 61400-25-1 a 6: Comunicações para monitoramento e controle 
de usinas eólicas (Communications for monitoring and control of wind 
power plants). Conjunto de seis normas que definem os protocolos 
de comunicação para medição e controle remoto de parques eólicos. 
• IEC/TS 61400-26-1: Disponibilidade baseada no tempo para 
aerogeradores (Time-based availability for wind turbine generating 
systems) - Edição 1.0 (2011). Especificação técnica recente que 
define termos genéricos para descrever a disponibilidade do 
aerogerador e seus componentes, a expectativa de vida, reparos e 
critérios para determinar os intervalos demanutenção. (CTGÁS-ER, 
2012) 
Destaca-se ainda que “deve-se adicionar a este grupo de documentos a 
norma IEC 60050-415: Vocabulário Eletrotécnico Internacional para 
Aerogeradores, elaborada pelo TC01, responsável por sancionar os termos e 
definições utilizados pelos diferentes comitês da IEC” (CTGÁS-ER, 2012). 
O CTGÁS-ER (2012) menciona que 
em 2005, o COBEI (Comitê Brasileiro de Eletricidade) criou uma 
comissão técnica para elaborar as normas brasileiras na área de energia 
eólica e aproximar-se do comitê técnico 88 da IEC, aumentando a 
participação brasileira neste segmento. Atualmente, 3 normas do TC88 
já foram traduzidas para o português e adotadas pela ABNT, são elas: 
ABNT NBR IEC 61.400-1:2008, ABNT NBR IEC 61.400-21:2010 e ABNT 
NBR IEC 61.400- 12-1:2012. 
FINALIZANDO 
Nesta aula foi possível conhecer mais sobre o desempenho das turbinas 
eólicas e também sobre as principais normas que regem seu desenho, sua 
construção e seu monitoramento. 
A partir desses conhecimentos é possível escolher a melhor turbina para 
cada terreno e dessa forma maximizar a geração de energia, consequentemente 
garantindo a viabilidade econômica do projeto. 
 
 
 
 
012 
REFERÊNCIAS 
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Energias 
Alternativas. Disponível em: <http://www.abnt.org.br/noticias/4991-energias-
alternativas>. Acesso em: 27 dez. 2017. 
CTGÁS-ER – CENTRO DE TECNOLOGIAS DO GÁS E ENERGIAS 
RENOVÁVEIS. Aspectos Técnicos da Energia Eólica. Natal, 2012. Disponível 
em: 
<http://ead2.ctgas.com.br/a_rquivos/aperfeicoamento/AspectosTecnicosEnergia
Eolica/Apostila_Aspectos_Tecnicos_Daniel_Faro_v1.pdf>. Acesso em: 11 jan. 
2018. 
CUSTÓDIO, R. S. Energia Eólica Para Produção de Energia Elétrica. Rio de 
Janeiro: Centrais Elétricas Brasileiras S.A./Eletrobrás, 2009. 
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. Wind Power. 
Disponível em: <http://www.iec.ch/renewables/wind_power.htm>. Acesso em: 27 
dez. 2017. 
VILLENA, J. E. N. Tecnologia de Geração Eólica. [S.l.]: CTGÁS-ER, 2011. 
WOBBEN WINDPOWER. Disponível em: <http://www.wobben.com.br/pagina-
inicial/>. Acesso em: 27 dez. 2017.