Turbina Eólica e sua Potência

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TÓPICOS ESPECIAIS EM ENERGIAS RENOVÁVEIS 
Aula 06: A turbina eólica e sua potência
AULA 06: A TURBINA EÓLICA E SUA POTÊNCIA
Tópicos especiais em energias renováveis
AULA 02: O VENTO DE GRADIENTE
Tópicos especiais em energias renováveis
Introdução
Potência de uma turbina eólica
1
Número de pás e turbinas eólicas
2
Controle de potência e velocidade das turbinas eólicas
3
PRÓXIMOS 
PASSOS
Controle por estol
4
Controle de passo
5
Controle por estol ativo
6
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AULA 02: O VENTO DE GRADIENTE
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A potência de uma turbina eólica varia com a velocidade do vento e cada turbina eólica tem uma curva característica de desempenho de energia (MANWELL et al., 2010), que indica a produção máxima de energia elétrica em diferentes velocidades do vento. 
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A velocidade do vento incidente nas pás (v1) é maior que a velocidade do vento após a passagem pela turbina eólica (v2).
A turbina interfere no fluxo de ar e atua como um bloqueio, tornando o vento turbulento e com a velocidade reduzida. 
http://www.scielo.br/img/revistas/rbef/v36n4/a07fig12.jpg
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A potencia teórica de uma turbina é dada pelo coeficiente de potência (cp), que caracteriza o seu nível de rendimento e pode ser definido por:
Cp 
Onde: 
Cp = Coeficiente de potência 
Pt = Potência extraída pela turbina teórica 
Pv = Potência disponível no vento
Contudo, para o cálculo real da potência da turbina, deve-se considerar as perdas mecânicas da operação. 
Ccorr Cp.η
Onde η representa o rendimento das perdas mecânicas e varia entre 0 e 1. 
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As turbinas eólicas de eixo horizontal, podem apresentar uma, duas , três ou múltiplas pás. 
Rotor de uma pá: 
alta velocidade rotacional;
diminuição do custo dos aerogeradores;
desbalanceamento aerodinâmico, 
necessidade de adaptações para manter os movimentos sob controle.
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Rotor de três ou duas pás:
padrão utilizado nos aerogeradores;
grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor;
melhor rendimento máximo; 
situa-se em velocidades mais altas. 
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Rotor multipás: 
maior aplicação no bombeamento d’água;
boa relação torque de partida/área de varredura do rotor;
melhor rendimento em baixas velocidades;
potência máxima extraída por área do rotor limitada;
pouco indicado para geração de energia elétrica. 
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Controle de potência e velocidade das turbinas eólicas
O controle serve para limitar a velocidade da turbina, mantendo a potência nominal de operação.
Finalidade: 
operação segura;
rastreamento da máxima potência;
maior eficiência do sistema de geração.
Principais parâmetros que podem ser controlados: 
torque eletromecânico do gerador;
torque da turbina;
ângulo de passo;
torque do sistema de freio;
fluxo de potência ativa e reativa;
ator de potência e tensão terminal do gerador. 
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Existem dois métodos para limitar a potência mecânica absorvida do vento: o controle de estol e o controle do ângulo do passo. 
O controle por estol das pás é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. (PATEL, 1999)
Os aerogeradores mais simples não necessitam de um sistema de controle de mudança do ângulo de passo.
Vantagens:
menor necessidade de manutenção;
menos peças móveis;
estrutura do cubo do rotor mais simples. 
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Controle por estol
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É um sistema que reage à velocidade do vento. 
As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem girar em torno de seu eixo longitudinal. 
Sob todas as condições de ventos, maiores que a velocidade nominal, o escoamento em torno das pás do rotor é parcialmente descolado da superfície produzindo menos forças de sustentação e elevadas forças de arrasto. 
Menos sustentações e mais arrastos diminuem a potência do rotor. 
gammaenergy
Controle por estol
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Para evitar que o efeito estol ocorra em todas as posições das pás ao mesmo tempo, as pás possuem uma torção longitudinal que as fazem fugir um pouco desse efeito. 
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Controle por estol
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A velocidade e a potência produzidas pela turbina podem ser controladas por meio de um controle ativo que permite o ajuste do ângulo de passo.
Um dispositivo mecânico é responsável por girar as pás longitudinalmente.
O aumento do ângulo de passo é obtido girando a seção transversal frontal da pá que está na direção do vento incidente, em direção ao plano de rotação, e assim, atua reduzindo a parcela da força de sustentação na direção do movimento. 
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Controle de passo
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O ângulo de passo é escolhido para:
diminuir a velocidades de vento maior que a velocidade nominal;
reduzir as forças de sustentação;
aumentar as forças de arrasto. 
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Controle de passo
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O controle por estol ativo ou método de controle da potência do rotor controla o ângulo de passo e a rotação das pás em torno do seu eixo, de forma a aumentar o ângulo de ataque. 
A potência de saída pode ser controlada com mais precisão, uma vez que o ângulo de ataque pode ser controlado.
Controle por estol ativo
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Energia Sustentável - Realizando o Futuro l - Discovery Channel Disponível em: <https://youtu.be/H1siiqp-F3A>. Acesso em 28 jun. 2017.
Saiba mais
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Tópicos especiais em energias renováveis
MANWELL, J. F.; MCGOWAN J. G.; ROGERS A. L. Wind energy explained: theory, design and application. 2 ed. England: John Wiley & Sons, 2010.
PATEL, M. R. Wind and solar power systems. Boca Raton, Florida, 1999.
Referências
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VAMOS AOS PRÓXIMOS PASSOS?
 
Aerogeradores; 
Princípio da geração de energia elétrica em um aerogerador; 
Partes de um aerogerador: pás; cubo de pás; eixo; nacele; torre.
AVANCE PARA FINALIZAR A APRESENTAÇÃO.
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