Sistema Eólico On Grid para Residências no RJ

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PROJETO DE UM SISTEMA ON GRID DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXO
VERTICAL PARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
Erik Fragoso Krug Pimentel
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Rio de Janeiro
Setembro de 2018
PROJETO DE UM SISTEMA ON GRID DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXO
VERTICAL PARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
Erik Fragoso Krug Pimentel
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, D.Sc.
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.
Prof. Jean Hilaire Adebai Tomola, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
SETEMBRO DE 2018
Fragoso Krug Pimentel, Erik
PROJETO DE UM SISTEMA ON GRID
DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXO VERTICAL
PARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DE
JANEIRO/Erik Fragoso Krug Pimentel. – Rio de Janeiro:
UFRJ/ Escola Politécnica, 2018.
XIV, 91 p.: il.; 29, 7cm.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2018.
Referências Bibliográficas: p. 78 – 82.
1. Energia Eólica. 2. TEEV. 3. Geração Distribuída.
I. do Nascimento, Jorge Luiz . II. Universidade Federal do
Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
Elétrica. III. Título.
iii
Aos meus pais, meu irmão e a
minha namorada...
iv
Agradecimentos
Após essa longa e dura jornada, não são poucos os agradecimentos que devo.
Primeiramente agradeço a meu pai, Roberto da Silva Cardoso Pimentel por todo
apoio, incentivo, cobrança e conselhos, além de todo investimento que permitiu que
eu ingressasse na Universidade Federal do Rio de Janeiro e que concluísse o curso
de Engenharia Elétrica.
Agradeço à minha mãe, Monica Fragoso Krug Pimentel por ter me dado toda
estrutura emocional e psicológica, por todo carinho, por todos os eternos perdões e
por todo o suporte durante essa longa caminhada.
Agradeço a meu irmão Patrick Fragoso Krug Pimentel, por toda parceria e com-
panheirismo de sempre, e que os meus erros e acertos sirvam para ele sempre, o
ajudando a tomar as decisões corretas na sua vida.
Agradeço à minha namorada, Anna Clara Leite de Souza, por todo amor, carinho
e cuidado, por ter estado ao meu lado nas horas mais difíceis e sempre ter me dado
forças a cada tombo, para levantar e alcançar o meu objetivo.
Agradeço a todos meus amigos que em algum momento estiveram ao meu lado,
estudando junto, se ajudando, se consolando nas reprovações e comemorando as
aprovações. A lista é longa, espero que todos que não estejam nela se sintam re-
presentados. Agradeço à Desirée, Wen, Camilla, Guilherme, Leonardo, Vinicius,
Fernando, Ricardo, Pedro Guarda, Pedro Vecchiati, Pedro Porto, Lorran, Napoli,
Rafael, Alexandre e todos os outros que desde o início sofreram junto comigo.
Também agradeço à Marcela, Bia, Hugo, Rodrigo, Pedro Neiva, Pedro Fernandes,
Yuri, Edson, Diogo, Mike, Pedro Franklin, Tauã, Blenda, Julia, Priscila, Tamiris,
Isabella, Carolina, Marcus e todos os amigos que fiz durante esse caminho e também
foram imprescindíveis para o meu sucesso no curso.
Ainda gostaria de um agradecimento especial ao Vinicius Figueiredo, pela ajuda
providencial no meu trabalho de conclusão de curso e Felipe Cabral por me ajudar
muito com o LaTex.
Por último gostaria de agradecer a meus mestres especialmente, Heloi, Aredes,
Rolim, Walter, Lopes, Sergio, Marcos, Markus, Karen e especialmente a Kátia Luci-
ana e meu orientador Jorge Luiz do Nascimento, esse último pela amizade, paciência
e todo conhecimento passado.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
PROJETO DE UM SISTEMA ON GRID DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXO
VERTICAL PARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
Erik Fragoso Krug Pimentel
Setembro/2018
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Curso: Engenharia Elétrica
Devido ao alto custo da energia elétrica no Brasil, hoje cada vez mais a geração
distribuída vem ganhando espaço entre os consumidores do país. A energia eólica
é vista hoje como uma das principais fontes de energia renovável e que não gera
grande impacto no meio ambiente. E que aos poucos vai se tornando cada vez mais
popular.
Esse trabalho se propõe em utilizar a energia dos ventos para atender parte
significativa da carga elétrica de uma casa de classe média no estado do Rio de
Janeiro. O projeto tem como objetivo dimensionar um sistema de aerogeradores de
pequeno porte, com modelos já existentes no mercado e verificar se haverá retorno
financeiro.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment
of the requirements for the degree of Engineer.
PROJECT OF A SYSTEM IN THE VERTICAL AXLE WIND GENERATION
NETWORK FOR RESIDENCIES IN THE STATE OF RIO DE JANEIRO
Erik Fragoso Krug Pimentel
September/2018
Advisor: Jorge Luiz do Nascimento
Course: Electrical Engineering
Due to the high cost of electricity in Brazil, today, more and more distributed
generation has been gaining space among the country’s consumers. Wind energy is
today seen as one of the main sources of renewable energy and it does not generate
much impact on the environment. And that gradually becomes more and more
popular.
This work proposes to use the energy of the wind to provide a significant part
of the electric charge of a middle class house in the state of Rio de Janeiro. The
project aims to size a small wind turbine system, with models already in the market
and to verify if there will be a financial return.
vii
Sumário
Lista de Figuras x
Lista de Tabelas xiv
1 Introdução 1
1.1 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Relevância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Histórico e Potenciais Eólicos 8
2.1 O Vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 A Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Histórico da Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Potencial Eólico no Mundo Atual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Potencial Eólico Brasileiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Potencial Eólico no estado do Rio de Janeiro . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Turbinas Eólicas 24
3.1 Turbinas de Eixo Horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Turbinas de Eixo Vertical (TEEV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Turbina Darrieus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Savonius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 Darrieus-Savonius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Densidade do Ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Potencial do Vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5 Potencial Aproveitável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6 Coeficiente de Velocidade Específica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Solidez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.8 Curva de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.9 Tipos de Geradores Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
viii
3.9.1 Gerador de Indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9.2 Gerador Síncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Projeto Proposto48
4.1 Ventos no Local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Consumo de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Dimensionamento do aerogerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.1 Escolha do Tipo de Turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.2 Escolha do Tipo de Gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.3 Cálculo das dimensões da turbina . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.4 Escolha do Gerador Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.5 Escolha do Conversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4 Balanço de Energia entre Geração e Carga Elétrica . . . . . . . . . . 69
4.5 Custo do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5 Conclusões 76
Referências Bibliográficas 78
A Turbina Eólica 83
B Gerador 88
C Retificador 89
D Inversor 90
ix
Lista de Figuras
1.1 Ranking de custo de energia para a indústria FIRJAN, [1] . . . . . . 1
1.2 Variação da conta de luz e da inflação, [2] . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Matriz Elétrica Brasileira, dados de agosto de 2018, ABEEÓLICA [3] 3
1.4 Conexões de Geração Distribuída ao longo dos anos, ASTRASOLAR[4] 4
1.5 Conexões de GD por fonte, ASTRASOLAR [4] . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Circulação Atmosférica no Brasil, ATLAS EÓLICO RJ [5] . . . . . . 8
2.2 Esquema de escalas climáticas de áreas urbanas, OKE [6] . . . . . . . 9
2.3 Gráfico de Vento x Altura: efeito da rugosidade e estabilidade térmica
vertical, ATLAS EÓLICO RJ [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Moinhos de Vento de Kinderdijk, Holanda, FAGANELLO [7] . . . . . 11
2.5 Primeiros aerogeradores da história, XCEL ENERGY [8] . . . . . . . 12
2.6 Turbina Gedser - 200kW, WINPOWER [9] . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7 Evolução mundial da capacidade eólico-elétrica em GW até os anos
2000, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.8 Novas Instalações em 2017 / Maiores Geradores de Energia Eólica
Dec 17, GWEC [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.9 Capacidade Eólica Instalada Offshore, GWEC [11] . . . . . . . . . . . 15
2.10 Panorama Eólico Brasileiro, ABEEÓLICA [12] . . . . . . . . . . . . . 16
2.11 Potencial Eólico do Nordeste, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . 17
2.12 Potencial Eólico do Sudeste, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . 18
2.13 Potencial Eólico do Norte, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . . . 19
2.14 Potencial Eólico do Centro-Oeste, AMARANTE [10] . . . . . . . . . 19
2.15 Potencial Eólico do Sul, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.16 Parques Instalados Por Estado, ABEEÓLICA [3] . . . . . . . . . . . 20
2.17 Mecanismos dominantes no regime de ventos fluminense, AMA-
RANTE [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.18 Potencial Eólico do Litoral Norte Fluminense, AMARANTE [5] . . . 22
2.19 Potencial Eólico do Litoral Região dos Lagos, AMARANTE [5] . . . . 23
2.20 Potencial Eólico do Litoral Região Metropolitana, AMARANTE [5] . 23
x
3.1 Parque eólico de São Francisco de Itabapoana, CGE Gargaú,
OMEGA [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Turbina Darrieus de Lâmina Curva, BRAGA [14] . . . . . . . . . . . 26
3.3 Turbina Darrieus H, CARMO [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 Variação do coeficiente de potência entre 3 modelos de TEEV,
SCHEURICH [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 Turbina Darrieus Helicoidal (VENCO-Twister-1000-T), VENCO [17] . 29
3.6 Modelo original da turbina Savonius, ISLAM [18] . . . . . . . . . . . 30
3.7 Diversos modelos de turbina Savonius, DÍAZ [19] . . . . . . . . . . . 30
3.8 Turbina Savonius de Conchas Retorcidas, CARMO [15] . . . . . . . . 31
3.9 A) DS Turbine, com Savonius de duas seções [20]; B) DS Turbine,
com Savonius de 3 pás [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.10 Densidade do Ar Média Anual, AMARANTE [5] . . . . . . . . . . . 32
3.11 Coeficiente de Potência X Coeficiente de Velocidade Específica das
diferentes turbinas, RESEARCHGATE [22] . . . . . . . . . . . . . . 34
3.12 Curva de Potência de um Aerogerador, SILVA e ABREU-HARBICH
[23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.13 Diagramas em corte de máquinas de indução com rotor gaiola de
esquilo de pequeno e grande porte, CHAPMAN [24] . . . . . . . . . 38
3.14 Gráfico Torque × Velocidade do rotor em operação de duas velocida-
des, MARQUES [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.15 Sistema de geração eólica com gerador de indução, MARQUES [25] . 40
3.16 Duas fotos de Rotores Bobinados de Gerador de Indução, CHAPMAN
[24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.17 Sistema de operação em velocidade variável com gerador de indução
em dupla alimentação, PETERSSON [26] . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.18 Vista em corte de um Gerador de Indução de Rotor Bobinado, CHAP-
MAN [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.19 Rotor de polos não salientes, CHAPMAN [24] . . . . . . . . . . . . . 44
3.20 Rotor de polos salientes, CHAPMAN [24] . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.21 Corte de uma máquina síncrona de rotor bobinado, CHAPMAN [24] 46
3.22 Sistema de um Gerador Síncrono de Ímã Permanente com conversor
PWM, MARQUES [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1 Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Copacabana,
INMET [28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Marambaia,
INMET [28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
xi
4.3 Foto de satélite da Estação Meteorológica de Marambaia, GOOGLE-
MAPS [29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4 Gradiente de Velocidade dos Ventos sobre o Rio de Janeiro, dia 03/04,
13:40, WINDFINDER [30] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Arraial do
Cabo, INMET [28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.6 Gradiente de Velocidade dos Ventos sobre a Região dos Lagos, dia
03/04, 13:40, WINDFINDER [30] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.7 Velocidade Média dos Ventos Anual de Arraial do Cabo, WE-
ATHERSPARK [31] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.8 Representação da carga elétrica ao longo do dia. . . . . . . . . . . . . 58
4.9 Gráfico Comparativo de Torque de Turbinas Savonius, DÍAZ [19] . . 60
4.10 Gráfico Comparativo de Cm x Ângulo das turbinas Savonius,
DÍAZ[19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.11 Gráfico Comparativo de Cp x TSR (λ) das turbinas Savonius, DÍAZ
[19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.12 Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-300, HI-
VAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.13 Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-1500, HI-
VAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.14 Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-700, HI-
VAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.15 Gráfico de Velocidade do Vento por Hora do dia . . . . . . . . . . . 70
4.16 Gráfico de Geração de Energia do Sistema Eólico deste projeto . . . 70
4.17 Balanço de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.18 Resultado do Balanço de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.19 Balanço de Energia com Carga Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.20 Resultado do Balanço de Energia com Carga Total . . . . . . . . . . 73
A.1 Descrição Turbina DS-700 parte 1, HIVAWT [20] . . . . . . . . . . . 83
A.2 Detalhes Instalação no Telhado parte 1, HIVAWT [20] . . . . . . . . 84
A.3 Mastro , HIVAWT [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
A.4 Detalhes do Mastro, HIVAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
A.5 DATA SHEET DS-700, HIVAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
B.1 Gerador 800 W, R&XTECH [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
B.2 Parâmetros do Gerador 800 W, R&XTECH [32] . . . . . . . . . . . 88
C.1 Ponte Retificadora Trifásica, MAPARECIDA [33] . . . . . . . . . . . 89
xii
D.1 Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto perfil , FREE ENERGY
[34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
D.2 Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto entrada CC , FREE
ENERGY [34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
D.3 Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto saída CA , FREE ENERGY
[34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
xiii
Lista de Tabelas
2.1 Produção de cataventos nos EUA, AMARANTE [10] . . . . . . . . . 11
4.1 Quadro de Cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Consumo de energia ao longo do dia parte 1 . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Consumo de energia ao longo do dia parte 2 . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Consumo de energia ao longo do dia parte 3 . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5 Consumo de energia ao longo do dia parte 4 . . . . . . . . . . . . . . 57
4.6 Consumo de energia ao longo do dia parte 5 . . . . . . . . . . . . . . 58
4.7 Área de captação por turbina do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.8 Turbinas Darrieus-Savonius com capacidade de geração desejável dos
fabricantes HIVAWT[20], WINDWING, LECTSTYLE, NAIER, DE-
LIGHT, TYPMAR, ENGELEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.9 Especificações do Gerador,R&XENERGY [32] . . . . . . . . . . . . . 69
4.10 Potência elétrica gerada pelo sistema eólico ao longo de um dia em
média . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.11 Tabela de Custo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
xiv
Capítulo 1
Introdução
O Brasil tem hoje uma das maiores cargas tributárias do mundo em energia
elétrica, de acordo com um estudo divulgado pela Associação Brasileira de Distri-
buidoras de Energia Elétrica (Abradee), estando em segundo lugar em um ranking
de 28 países de acordo com a reportagem de Sabrina Craide [35] .
Segundo um ranking divulgado pela Federação das Indústrias do Rio de Janeiro
(FIRJAN), que mede o custo da energia para a indústria, o Brasil ocupa a sexta
colocação, sendo valor atual 46 % superior à média internacional [1].
Figura 1.1: Ranking de custo de energia para a indústria FIRJAN, [1]
Apesar do grande potencial energético brasileiro, e da constante expansão da
diversificada matriz energética do país, a energia produzida tem estado cada vez
mais cara, vide que o Brasil ocupava a 11a posição no mesmo ranking em 2014
[1, 36].
A principal fonte de energia elétrica do país vem da geração hidráulica, a despeito
de ser uma fonte renovável e ter sua supremacia cada vez mais acentuada ao longo dos
anos, ela fica refém das condições do regime de chuvas local. Entretanto, nos últimos
1
anos a falta de chuvas nos meses que deveriam ser mais chuvosos vem causando
aumentos constantes nas tarifas (Figura 1.2), apesar do alto índice pluviométrico no
início desse ano, expectativa é que 2018 feche com alta entre 9,4% , reajuste bem
acima da inflação, de acordo com Lima da Folha de São Paulo [2], [3] [1].
Figura 1.2: Variação da conta de luz e da inflação, [2]
Também é relevante considerar que a expansão do modelo hidrelétrico brasileiro
se dá através de grandes centrais geradoras, a tomar como exemplo as usinas em
construção mais recentes como Belo Monte, Jirau e Santo Antônio. Essas usinas além
de enfrentarem dezenas de ações na justiça, como aferiu o portal Hoje Em Dia [37]
devido a dificuldades no campo ambiental, localizam-se na bacia amazônica, muito
distante dos principais centros consumidores, o que gera também grande custo de
construção da longa malha de transmissão para esses centros urbanos, o que segue
aumentando o custo geral da energia no país [38].
Frente a essa crise, a alternativa que vem crescendo exponencialmente no Brasil
é a implantação da geração distribuída, como é mostrado no gráfico da Figura 1.4.
Geração distribuída é uma expressão usada para a geração elétrica realizada próxima
ao consumidor, independente da concessionária de energia elétrica [4].
2
Figura 1.3: Matriz Elétrica Brasileira, dados de agosto de 2018, ABEEÓLICA [3]
Em 12 de abril de 2012, entrou em vigor a Resolução Normativa 482/2012 da
ANEEL, permitindo que qualquer consumidor brasileiro possa gerar sua própria
energia elétrica a partir de fontes renováveis, e caso haja excedente na sua produção,
que possa fornecê-lo a rede de distribuição de sua localidade [39].
A partir de julho de 2015, quinze estados através de adesão ao Convênio Con-
faz, adotaram uma política de incentivo para o consumidor que optar por gerar sua
própria energia elétrica. O convênio autoriza a concessão da isenção do ICMS (Im-
posto de Circulação de Mercadorias e Serviços). Buscando mais atratividade para
o consumidor, alguns estados, também permitiram a isenção da cobrança de PIS e
COFINS ainda no mesmo ano de 2015 [40].
Essas medidas deixam claro que há também um grande interesse do setor na
expansão da Geração Distribuída (GD), isso se dá devido às inúmeras vantagens
que a ela traz, como diminuição de perdas associadas à transmissão e distribuição,
devido à maior proximidade da geração à carga; maior diversificação da matriz
energética limpa e renovável; minimização dos impactos e custos socioambientais;
maior segurança contra as intempéries e problemas com transmissão e distribuição
de energia; e atendimento mais rápido à demanda existente [38].
3
Figura 1.4: Conexões de Geração Distribuída ao longo dos anos, ASTRASOLAR[4]
Ao se falar em geração distribuída, hoje no Brasil, muito têm-se associado à
fonte de energia solar fotovoltaica, é a fonte energética que mais se destaca no
cenário atual. Isso se dá, por essa fonte ser abundante em todo território nacional,
independente de localização privilegiada, além de necessitar de pouca manutenção
[4].
Figura 1.5: Conexões de GD por fonte, ASTRASOLAR [4]
Analisando os dados do gráfico da Figura 1.5, vemos ainda a energia eólica sendo
subutilizada no país como geração distribuída. Apesar de já ser a terceira fonte de
energia na matriz energética nacional é somente aplicada para geração de grandes
blocos de energia. Sua aplicação para pequenas gerações, entretanto, é também
possível e precisa ser mais estudada.
4
1.1 Objetivo
Este trabalho tem como finalidade apresentar um projeto de microgeração dis-
tribuída de fonte eólica para suprir de forma parcial e complementar a carga de uma
residência de classe média em Arraial do Cabo, no estado do Rio de Janeiro.
O projeto tem a intenção de apresentar que fatores técnicos devem ser conside-
rados e quais locais são propícios ou não para a exploração da energia dos ventos na
região.
A dissertação visa detalhar os diferentes critérios para a escolha de turbinas eóli-
cas voltadas para a microgeração elétrica e como deve ser feito para que seja possível
conectá-la à rede. De forma que o consumidor possa obter um retorno financeiro a
médio prazo, visando se tornar cada vez mais independente das oscilações tarifárias
e do custo da energia elétrica.
1.2 Motivação
O visível sucesso do uso das fontes renováveis no mundo, onde se destacam a
solar, a biomassa e a eólica, inclusive com o uso da geração distribuída até no
setor residencial, além do crescente sucesso da energia solar fotovoltaica na matriz
brasileira, onde se percebe que o Brasil tem totais condições de também ampliar os
usos dessas duas fontes para o setor residencial, principalmente em regiões litorâneas,
motivou o desenvolvimento deste trabalho como estudo, experimento e investigação
para uma aplicação em uma habitação do tipo residencial.
1.3 MetodologiaPartiu-se de uma revisão teórica sobre energia dos ventos e sobre a evolução
técnonológica dos aproveitamentos eólicos e suas aplicações no Brasil e no mundo.
Em sequida foram revisados os princípios de funcionamento, a classificação dos ae-
rogeradores e os fundamentos teóricos para a realização de um projeto, além de uma
revisão sobre os tipos de geradores elétricos utilizados para a conversão eletromecâ-
nica de energia. Após, foi feito um estudo de avaliação da velocidade do vento do
local escolhido para aplicação do projeto, realizado através da coleta de dados de
velocidade do vento fornecidos por uma estação meteorológica próxima ao local da
instalação.
Para dimensionar a turbina, estimou-se o consumo de energia das cargas que
serão atendidas e realizou-se um levantamento de modelos de turbinas eólicas exis-
tentes no mercado. Após o dimensionamento, foi feito o balanço de energia entre
5
a geração e carga, para avaliação do saldo energético do sistema. Por último, será
apresentado o custo do projeto e o tempo de retorno desse investimento.
1.4 Relevância
O projeto através de uma revisão histórica, remonta toda a evolução da arte até
os dias de hoje, pretende trazer o leitor ao entendimento completo do tema até a
conjectura atual.
Se espera que o desenvolvimento desse projeto possa estimular a utilização de
aerogeradores como microgeração e minigeração de energia elétrica.
Busca enriquecer de conteúdo voltado para energias renováveis o Departamento
de Engenharia Elétrica da UFRJ. E com isso da inspirar os acadêmicos a se apro-
fundarem cada vez mais no assunto, partindo para projetos mais complexos a partir
desse trabalho.
É também a intenção que esse trabalho mostrar que é possível a fonte eólica ser
utilizada como alternativa de geração distribuída no estado do Rio de Janeiro.
1.5 Organização do Trabalho
No Capítulo 1 é feita uma abordagem geral do momento vivido durante a re-
alização do projeto, é introduzido o porquê de se investir e tornar cada vez mais
aplicável o uso de geração distribuída no atual contexto brasileiro. Tudo isso a fim
de que possa ser ilustrado as suas vantagens e mostrar todos os fatores que serviram
de motivação para o tema do trabalho.
No Capítulo 2, é descrito o que é a energia eólica e de onde tem origem, passando
por um rápido histórico de como se deu o início de sua aplicação em todo o mundo
e no Brasil. Neste capítulo é possível observar, também, o crescimento do potencial
eólico até os dias atuais e como ele está associado ao sistema elétrico brasileiro.
Além disso, é feita uma descrição detalhada sobre a geografia do Brasil e como ela
está relacionada com a distribuição de seus ventos. Tudo isso a fim de que possa ser
ilustrado as suas vantagens e mostrar todo o potencial eólico brasileiro e fluminense.
O Capítulo 3 analisa os tipos de turbinas eólicas mais comuns existentes, mencio-
nando suas principais diferenças e tecnologias empregadas, dando ênfase às turbinas
eólicas de eixo vertical. São explicitadas os fundamentos teóricos utilizados para
um projeto de aerogeradores, além dos tipos de geradores elétricos normalmente
utilizados para esse fim.
O Capítulo 4 dá início ao estudo do projeto da turbina, onde pode-se encontrar o
tipo de turbina escolhido para a aplicação neste trabalho, a escolha dos parâmetros
iniciais de projeto se baseando na carga a ser suprida, bem como a escolha de seus
6
principais componentes. Por último é apresentado o balanço energético do projeto,
o seu custo.
O Capítulo 5 é a conclusão, onde se faz um resumo de todos os desafios encon-
trados e definições do projeto.
No Apêndice são paresentados mais dados técnicos dos equipamentos utilizados
no projeto
7
Capítulo 2
Histórico e Potenciais Eólicos
2.1 O Vento
O vento é a própria atmosfera em movimento. Ocorre devido à ação contínua
da energia radiante solar sobre a Terra, que aquece de forma desigual a superfície
terrestre, resultando na circulação contínua das camadas de ar da atmosfera [5].
Na região entre os trópicos, a incidência solar é quase perpendicular em toda área,
quanto mais distante da linha imaginária do Equador, mais inclinada é a incidência
dos raios solares na superfície do planeta, sendo a região mais fria a região dos polos.
O sol aquece a Terra com mais intensidade entre os trópicos, fazendo as massas de ar
quente subirem na atmosfera, criando zonas de baixa pressão perto à superfície, com
isso as massas de ar frio vindas dos polos preenchem essas zonas, esse deslocamento
constante forma os ventos [5].
Figura 2.1: Circulação Atmosférica no Brasil, ATLAS EÓLICO RJ [5]
8
Enquanto as latitudes principalmente somadas às estações do ano e o ciclo dia-
noite são os mecanismos atuantes em escala global, os encontros montanhas-vale e
terra-mar influenciam a formação dos ventos em escala local.
Outros fatores como ilustrado na Figura 2.2, afetam a qualidade do vento são as
condições de relevo e a rugosidade aerodinâmica do terreno. O vento é afetado de
forma acentuada pela forma de relevo apresentada, sendo totalmente diferente em
ambientes de floresta, cidade, praia, pradaria e etc [5] [6].
Figura 2.2: Esquema de escalas climáticas de áreas urbanas, OKE [6]
A urbanização afeta diretamente o tempo e o clima de um local, a alteração do
homem no solo, vegetação, temperatura do ambiente e relevo influem diretamente
na forma que os ventos se comportam, alterando a sua forma original [6].
Nota-se que o vento tende a ter grande aumento de velocidade conforme aumenta
a alturan(Figura2.3), principalmente nas áreas urbanas onde quanto mais alto menos
sofre alteração devido ao relevo. Para o estudo voltado à exploração de energia
elétrica através da energia dos ventos, há grande dependência do perfil vertical de
velocidade do vento com a altura, rugosidade do terreno e a estabilidade térmica
vertical da atmosfera [5] [6].
9
Figura 2.3: Gráfico de Vento x Altura: efeito da rugosidade e estabilidade térmica
vertical, ATLAS EÓLICO RJ [5]
2.2 A Energia Eólica
A energia eólica é a fonte de energia proveniente da força dos ventos. Energia
essa abundante, limpa e renovável. Hoje quando se fala em energia eólica, associa-se
diretamente ao processo de aproveitamento eólico para geração de energia elétrica
[41].
Esse processo se dá através da captação da energia cinética eólica, a qual mo-
vimenta pás de hélices de turbinas, que com seus rotores ligados a um gerador
convertem a energia mecânica em elétrica [41].
Para tal é necessário que o sistema seja instalado em uma região com condi-
ções climáticas favoráveis, com vento em abundância. Com isso percebe-se que o
funcionamento adequado de um sistema de geração de energia elétrica através dos
ventos envolve vários campos de conhecimento como, meteorologia, aerodinâmica,
eletricidade, controle e mecânica [41].
2.3 Histórico da Energia Eólica
Não se sabe ao certo quando se originou o aproveitamento da energia dos ventos
pelo homem, mas sabe-se que há mais de um milênio no Oriente e na Grécia antiga
já se usavam velas acopladas a embarcações [42].
10
Também há registros de máquinas impulsionadas pela força aerodinâmica de ar-
rasto para produzir trabalho, principalmente utilizadas na moenda de grãos e no
bombeamento de água. Os registros mais antigos que se tem hoje são de alguns au-
tores que alegam ter descoberto restos de um moinho no Egito de aproximadamente
3000 anos. Entretanto as fontes mais confiáveis que se têm hoje reconhecem que os
primeiros moinhos de vento surgiram na Pérsia por volta de 200 a.C [10].
A partir da Idade Média a utilização de moinhos de vento se tornou cada vez
mais comum em toda a Europa, propiciando bons avanços tecnológicos das máqui-
nas nesse tempo. Acredita-se que essa tecnologia veio para a Europa através das
Cruzadas por volta do século XI [42].
Os precursores da utilização em larga escala na Europa foram os holandeses, já
no século XIV, suas máquinas utilizadas principalmente para drenagem de áreas
alagadas, já apresentavam grande evolução técnicae potência perante as demais.
Até hoje a Holanda é famosa por seus belos moinhos de vento [42] [10].
Figura 2.4: Moinhos de Vento de Kinderdijk, Holanda, FAGANELLO [7]
Quando o Brasil foi descoberto, a utilização de moinhos já era bem disseminada
por toda Europa, inclusive a Península Ibérica, mas o uso da tecnologia no país só
se deu séculos mais tarde, graças ao boom de utilização de cataventos nos Estados
Unidos principalmente após a abolição da escravatura em 1863. A produção chegou
ao quantitativo de milhares por ano, se tornando acessível à população, o que ajudou
inclusive a expansão colonizadora do Oeste dos EUA, segundo muitos historiadores
[43].
Tabela 2.1: Produção de cataventos nos EUA, AMARANTE [10]
11
A tecnologia dos cataventos norte-americana chegou então no Brasil na década
de 1880, se fazendo presentes quase uma dezena de fabricantes no país, porém o uso
ainda era rudimentar [10].
O primeiro moinho para geração de energia elétrica foi construído na Escócia,
em 1887, por James Blyth, em Glasgow. O professor construiu uma torre de 10 m
de altura, era de eixo vertical e possuía oito pás, sua geração carregava baterias que
alimentavam a iluminação da sua casa.
No ano seguinte, 1888, em Cleveland, Ohio (EUA), Charles Brush terminou a
construção de um gerador eólico de eixo horizontal, com a sua empresa de engenha-
ria. Possuía 17 m de diâmetro, 144 lâminas e sustentado por uma torre de 18 m.
Esse aerogerador tinha uma potência de 12 kW, e funcionava também carregando
um banco de baterias, alimentando a carga de seu laboratório, que consistia na
iluminação do mesmo e de alguns motores [42].
Figura 2.5: Primeiros aerogeradores da história, XCEL ENERGY [8]
A produção em larga escala de moinhos de vento para geração elétrica só se
daria na década 1930, nos EUA milhares de aerogeradores foram produzidos entre
as décadas de 30 e 60, tanto para o mercado interno quanto o mercado externo.
Mas conforme as redes de distribuição de energia foram dominando também o meio
rural, os aerogeradores sofreram uma queda gradual nas décadas de 50 e 60 [10].
A energia eólica voltou a receber a devida importância apenas em meados da
década de 70, na Califórnia. Devido à crise do petróleo o governo dos Estados Unidos
incentivou a indústria para desenvolvimento tecnológico no campo da exploração
de energia renovável com participação intensa da NASA no processo. Houve uma
grande diminuição das taxas estaduais e federais o que impulsionou a indústria
12
de energia renovável àquela altura, desenvolveram-se novas tecnologias para uso
comercial de grandes turbinas, que bateram diversos recordes de tamanho e potência
[44].
Figura 2.6: Turbina Gedser - 200kW, WINPOWER [9]
O ambicioso programa dos EUA contou com uma participação imprescindível
da maior turbina existente até então, a turbina dinamarquesa Gedser de 200 kW. A
pedido da NASA, a turbina que funcionou por 11 anos e que estava parada desde o
final dos anos 60, foi reformulada, e foi parte crucial do início do estudo da otimização
da geração eólica [45].
O programa dos EUA, a crise energética, e a pressão popular contra um programa
nuclear, também estimularam a Dinamarca a incentivar a indústria de energia reno-
vável, sendo a Dinamarca uma das pioneiras da geração de energia eólica offshore na
década de 80. Motivos parecidos também motivaram a Alemanha para o caminho
da energia dos ventos. Esses três países foram os pioneiros e continuam até hoje
com forte representatividade na exploração de energia eólica mundial, sendo deles
algumas das principais empresas do mercado, como, GE, Siemens, Vestas, Enercon,
entre outras [46].
2.4 Potencial Eólico no Mundo Atual
Historicamente, os precursores Estados Unidos, Alemanha, Holanda e Dinamarca
se mantiveram por bastante tempo entre os maiores geradores de energia eólica,
porém como mostra a Figura 2.7, no final dos anos 90, outros países se apresentaram
como novas potências no setor eólico: foram Índia e Espanha, que se mantêm em
destaque até hoje.
A entrada da China na economia de mercado a partir da década de 1990 im-
pulsionou fortemente a sua economia, e junto com ela a necessidade de expansão
13
Figura 2.7: Evolução mundial da capacidade eólico-elétrica em GW até os anos 2000,
AMARANTE [10]
da matriz energética. O desenvolvimento exagerado trouxe aos chineses algumas
mazelas do progresso. As imensas cidades sofreram fortemente com o boom do cres-
cimento econômico, o país foi aumentando exponencialmente sua geração de energia,
devido a crescente demanda da produção industrial. Porém, com esse crescimento
desordenado veio o aumento da poluição, principalmente do ar. Com isso, o país en-
tendeu que era necessário continuar produzindo e gerando energia, porém de forma
limpa [47].
Em 2005 o Congresso chinês aprovou uma lei de incentivo a produção de ener-
gia elétrica de fontes renováveis. Já em 2008 pelo menos 15 empresas chinesas já
produziam turbinas eólicas, lançando de vez a China no mapa do setor. Hoje é a
maior geradora de energia eólica do mundo. E continua crescendo em larga escala.
[47] [11].
Os EUA ainda se mantêm em constante crescimento, ano após ano, mesmo sendo
ainda uma grande referência no setor eólico mundial, seguido por Alemanha e Índia.
A Índia também obteve grandes incentivos governamentais que irão se extinguir em
2019, enquanto isso sua matriz segue se expandindo [11].
A Alemanha teve um crescimento muito forte equiparável aos EUA no ano de
2017. Os germânicos, seguindo os vizinhos dinamarqueses, investiram muito pesado
na tecnologia offshore. Também, seguindo a tendência, o Reino Unido investiu
intensamente em parques eólicos offshore, sendo hoje o maior país em capacidade
instalada segundo o Global Wind Statistics 2017 [11], seguido de Alemanha, China,
Dinamarca, Holanda e Bélgica.
A Europa teve em 2017 o melhor ano na história em aumento de capacidade,
como mostram o gráfico de novas capacidades instaladas da Figura2.8. Nele é mos-
14
Figura 2.8: Novas Instalações em 2017 / Maiores Geradores de Energia Eólica Dec
17, GWEC [11]
Figura 2.9: Capacidade Eólica Instalada Offshore, GWEC [11]
15
trada a grande representatividade da Espanha no setor, apesar de ter estagnado seu
crescimento, além de grande aumento da capacidade instalada de França e Brasil,
que superaram Canadá e Itália, sendo hoje o sétimo e oitavo maiores geradores de
energia eólica respectivamente [11].
2.5 Potencial Eólico Brasileiro
O Brasil atingiu em fevereiro de 2018 a marca de 13 GW de capacidade instalada
de energia eólica. Em 2017 obteve um crescimento de 26,5%, que em potência
significa mais de 2 GW. Essa capacidade é gerada com 534 parques eólicos e mais
de seis mil aerogeradores em operação, segundo a Associação Brasileira de Energia
Eólica [48].
A capacidade instalada hoje no país suporta o consumo médio ao equivalente a 24
milhões de residências por mês. O Brasil já apresenta um potencial contratado e em
construção que soma mais 4,8GW, divididos em 213 parques eólicos, com previsão
de entrega até o ano de 2023. Já para o ano de 2018 a expectativa é de ultrapassar
os 14 GW de capacidade instalada, maior que Itaipu, a maior hidrelétrica brasileira
[48].
Figura 2.10: Panorama Eólico Brasileiro, ABEEÓLICA [12]
O regime de ventos no Brasil é controlado principalmente pelos aspectos dos
sistemas de alta pressão do Atlântico Sul e a faixa de baixa pressão da Depressão
Equatorial, como é ilustrado na Figura 2.1. A Depressão Equatorial coincide com
a localização da Bacia Amazônica, zona de pequenos gradientes de pressão e ventos
16
fracos. Entretanto, ao norte e ao sul da Depressão Equatorial, há duas zonas de
ventos constantes, de leste a nordeste ao norte, e de leste a sudeste ao sul [10].
Ao norte os ventos alísios atingem o litoral do nordeste brasileiro assim como
a Bacia Amazônica. No litoral do nordeste há o encontro com as brisas diurnas.
Os efeitos são acentuados com essa combinação gerando ventos médios anuais entre
5m/s e 7,5m/s ao norte do Cabo de São Roque (áreamais oriental do Brasil), e
entre 6m/s e 9m/s ao sul. Os alísios se tornam mais fortes à medida que se afastam
da Depressão Equatorial, somado a menores índices de vegetação e umidade do solo
ao sul, que acentuam as brisas marinhas, justificam essa diferença entre ambos [10].
Figura 2.11: Potencial Eólico do Nordeste, AMARANTE [10]
As montanhas imediatamente a oeste da costa nordestina criam uma espécie de
aceleração por obstáculo, acelerando os ventos ao sul, ao longo da costa baiana que
vão aliviando conforme se aproximam da região sudeste. Nas elevações da Chapada
Diamantina no nordeste e Serra do Espinhaço no sudeste, também ocorrem áreas
de grandes velocidades, devido a um efeito de compressão vertical quando os ventos
ultrapassam a barreira montanhosa próxima ao litoral. Essas características fazem
do nordeste a maior região do Brasil em potencial eólico, onde se concentra a maior
17
quantidade de parques eólicos do país (412 parques), detendo mais de 80% de toda
capacidade nacional [10] [12].
A região litorânea sudeste sofre os mesmos efeitos do litoral sul nordestino, que
afeta todo litoral do Espírito Santo até a Região dos Lagos no Rio de Janeiro,
onde apresentam ótimo potencial eólico. Após Arraial do Cabo o litoral fluminense
desvia-se a oeste onde os ventos se tornam muito mais fracos, devido a forte presença
de morros e montanhas, enfraquecendo os ventos ao sul dali [10].
Figura 2.12: Potencial Eólico do Sudeste, AMARANTE [10]
Na Região Norte, os alísios seguem o mesmo efeito do norte nordestino apenas na
área litorânea próxima a foz do rio Amazonas. Entretanto, tem o efeito bem reduzido
devido ao atrito de superfície com as densas florestas e a aproximação das zonas de
baixa pressão. Apesar disso, há uma faixa entre 1000m e 2000m acima da superfície
que atingem as áreas mais elevadas da região norte, com ventos médios anuais de
8m/s a 10m/s. Podemos perceber sua atuação na região da Serra Pacaraima, em
Roraima [10].
18
Figura 2.13: Potencial Eólico do Norte, AMARANTE [10]
A região do Planalto Central, localizada ao sul da Bacia Amazônica apresenta
uma grande área de poucos ventos que afeta toda a região centro-oeste. Apenas áreas
mais elevadas próximas à fronteira com o Paraguai, devido ao efeito de compressão
vertical apresentam médias próximas de 7m/s [10].
Figura 2.14: Potencial Eólico do Centro-Oeste, AMARANTE [10]
19
Na Região Sul, o escoamento atmosférico é controlado pela Depressão do Nor-
deste da Argentina, área de baixa pressão a leste dos Andes, e pelo Anticiclone
Subtropical Atlântico. O gradiente entre eles induz altas velocidades médias anu-
ais, tanto nas áreas de maiores elevações montanhosas, atingindo 8m/s, quanto nos
planaltos de baixa rugosidade, os pampas [10].
Figura 2.15: Potencial Eólico do Sul, AMARANTE [10]
A região sul é a segunda maior geradora de energia elétrica eólica do país, pos-
suindo 95 parques eólicos, e mais de 2 GW de potência instalada, atrás apenas do
nordeste, atualmente maior gerador isolado. Essa análise nos permite ver que há
ainda muito que ser explorado no setor eólico brasileiro. O sudeste, principalmente,
e o norte de Roraima têm grande potencial a ser explorado [12].
Figura 2.16: Parques Instalados Por Estado, ABEEÓLICA [3]
20
2.6 Potencial Eólico no estado do Rio de Janeiro
Como mostra a Figura 2.17, o regime de ventos do estado do Rio de Janeiro, é
predominantemente influenciado pela zona de alta pressão chamada de Anticiclone
Subtropical do Atlântico Sul. Essa influência ocasiona ventos de quadrante leste e
nordeste de forma constante [5].
Figura 2.17: Mecanismos dominantes no regime de ventos fluminense, AMARANTE
[5]
No estado é frequente incursões de massas polares e frentes frias, que evidenciam
uma marcante sazonalidade, onde há ocorrência de ventos mais intensos nos meses
de primavera. Outros mecanismos que se fazem presentes na região são as brisas
marinhas, terrestres e lacustres, brisas montanha-vale e jatos noturnos, além da
complexa interação do deslocamento atmosférico com as formações montanhosas
fluminenses [5].
Como citado na Seção 2.1, a influência da mesoescala ao longo do litoral da
Região dos Lagos e do litoral norte fluminense somado à ação das brisas marinhas
e terrestres, cria um ciclo bem característico diário. Ao nascer do sol a velocidade
atinge o seu mínimo, ao longo do dia, o aquecimento intenso do continente influencia
a brisa marinha que se acentua até atingir seu pico ao por do sol. Esse processo
induz bons ventos ao longo de todo o ano [5].
Como o presente projeto é voltado para mini geração em áreas urbanas, serão
apresentados somente dados onshore.
O Litoral Norte Fluminense apresenta condições muito boas para a geração de
energia eólica, por isto foi o local escolhido para o primeiro e até então único parque
21
eólico do Estado do Rio de Janeiro, o Parque Eólico de Gargaú, em São Francisco
do Itabapoana. Foi construído pela empresa Omega Energia, utilizando como for-
necedor a dinamarquesa Vestas, sendo 28 MW de capacidade, tendo como início da
operação outubro de 2010 [13].
Figura 2.18: Potencial Eólico do Litoral Norte Fluminense, AMARANTE [5]
É uma região de extensa planície costeira, baixa densidade demográfica e baixa
urbanização, propiciando uma baixa rugosidade, resultando em uma média anual
em torno de 6,5 m/s nas melhores áreas [5].
A Região dos Lagos possui uma das melhores velocidades médias anuais do país,
próximas a 7 m/s nas melhores áreas. A região é famosa por ter cidades onde os
fluminenses possuem ou alugam casas de veraneio. Entretanto essas cidades nas
últimas décadas cresceram muito, já possuindo uma vida própria, população local
bem estabelecida independente das altas temporadas e feriados. Por isso, é uma
região muito propícia para o projeto em estudo [5].
A Região Serrana do Rio de Janeiro apresenta algumas áreas para geração de
pequeno e médio porte, principalmente nas maiores elevações. Essas pequenas áreas
de grande elevação apresentam velocidades médias de 7,5 m/s e até mais elevadas,
porém seriam áreas de difícil acesso e montagem, por possuir relevo muito aciden-
tado, dificultando acesso para transporte, montagem e ligação ao sistema elétrico e
subestações [5].
22
Figura 2.19: Potencial Eólico do Litoral Região dos Lagos, AMARANTE [5]
Apesar de não ser dado como enfoque no Altas Eólico do Rio de Janeiro [5], o
litoral da cidade do Rio de Janeiro devido às brisas marítimas e terrestres, podem
ser uma área interessante para aplicação do projeto de microgeração. Necessitando
de maiores estudos na área.
Figura 2.20: Potencial Eólico do Litoral Região Metropolitana, AMARANTE [5]
23
Capítulo 3
Turbinas Eólicas
3.1 Turbinas de Eixo Horizontal
Os rotores de eixo horizontal são os mais utilizados desde sempre. Apesar de
ter sido o segundo modelo a ser inventado como dito na seção 2.3, foi o que mais se
desenvolveu ao longo do tempo, sendo o mais utilizado hoje.
São movidos por forças aerodinâmicas de sustentação (lift) e de arrasto (drag).
As hélices ao obstruírem o deslocamento do vento sofrem a ação de forças que
atuam perpendicularmente ao escoamento (drag) e forças que atuam na direção do
escoamento (lift). Os motores que giram sob efeito de forças de sustentação, geram
mais potência do que os de arrasto para a mesma velocidade de vento [13].
Os rotores de eixo horizontal necessitam estar em posição perpendicular ao vento,
necessitando de um estudo mais detalhado antes de sua instalação, para um melhor
rendimento [13].
As turbinas mais utilizadas são compostas por 3 hélices e em alguns casos em
que a velocidade média é muito alta, há a possibilidade da utilização de uma ou
duas pás, sendo mais comum o uso de duas, para haver uma menor geração de ruído
[13].
3.2 Turbinas de Eixo Vertical (TEEV)
O rotor de eixo vertical foi o primeiro tipo de rotor inventado, como já dito
na seção 2.3 e mostrado na Figura 2.5, mas com o passar do tempo foi preterido
pela turbina de eixo horizontal. Apesar disso foi escolhido como temaprincipal do
trabalho, e apresenta algumas vantagens.
A TEEV não necessita de ajuste para a direção do vento, não havendo a neces-
sidade de acompanhamento minucioso para variações direcionais do vento, além de
apresentar melhor comportamento sob turbulências, o que reduz muito a complexi-
24
Figura 3.1: Parque eólico de São Francisco de Itabapoana, CGE Gargaú, OMEGA
[13]
dade do projeto [49].
Para projetos em áreas urbanas possui características interessantes. É muito
mais silenciosa que as turbinas de eixo horizontal, o sistema de geração fica mais
perto do solo, o que facilita a instalação e manutenção e possui torres mais baixas,
ocupando no geral uma área menor que os rotores de eixo horizontal [15].
Como o projeto visa a área urbanizada, uma das possibilidades em estudo é a
instalação em telhados de casas, locais em que o vento sofre mais alteração. Nestes
aerogeradores, as correntes de ar batem lateralmente nas lâminas, garantindo uma
velocidade de arranque mais baixa, vantajoso em condições de pouco vento, o que é
muito interessante para o projeto [15].
O fato de possuir torres de sustentação menores, faz com que essas turbinas
tenham menor desempenho, não aproveitando maiores velocidades de vento, e por
conta das maiores turbulências devido à altura, acaba sofrendo mais desgaste, por
a sofrer maior carga aerodinâmica cíclica, reduzindo assim sua vida útil [15].
3.2.1 Turbina Darrieus
Darrieus (Eggbeatter)
A turbina Darrieus, foi inventada pelo engenheiro aeronáutico Georges Darrieus
e seus dois modelos foram patenteados no ano de 1931 nos EUA. Ambos são mo-
vidos por força aerodinâmica de sustentação (lift), e possuem duas ou três lâminas
conectadas ao rotor no eixo vertical [15].
O primeiro modelo é conhecido como eggbeater (“batedeira de ovos”, em inglês),
ou modelo de lâminas curvas (Troposkein). Esse modelo possui hélices em forma
aerodinâmica, inspirado em asas de avião. Essa forma curvada tem como objetivo
diminuir o estresse por torção no eixo do rotor [18].
Foi explorado na Califórnia no passado, porém atualmente é pouco utilizado. Um
25
dos motivos para tal é que esses rotores não dão partida sozinhos, devido às lâminas
possuírem um alto ângulo de ataque, consequentemente um baixo coeficiente de
velocidade periférica (λ), sendo assim, a força lift do vento nas pás da turbina se
torna pequena, insuficiente para tirar as hélices da inércia [50].
Figura 3.2: Turbina Darrieus de Lâmina Curva, BRAGA [14]
Por não possuir partida própria, é necessário o uso de um motor de partida,
o que acaba por encarecer o projeto do aerogerador Darrieus convencional. Ainda
assim, é uma das turbinas que apresenta maior rendimento, segundo MERTENS
[50] a turbina Darrieus apresenta um rendimento de 40% aproximadamente.
Darrieus H
Outra turbina desenvolvida por Darrieus é comumente chamada de Darrieus H,
utiliza pás retas paralelas ao eixo do rotor, fazendo a turbina lembrar a letra “H”.
Esse modelo é bastante utilizado, principalmente para mini e microgeração, tanto
em postes como em telhados de casas e prédios [51].
Essa turbina apresenta uma maior área de escoamento em comparação com a
Eggbeater, como consequência apresenta maior rendimento energético, chegando a
50%, segundo BRULLE [52]. O fato de se ter popularizado no mercado, gerou
mais investimento e pesquisa ao redor desse modelo, gerando pequenas variações de
montagem, como por exemplo, ter passo fixo ou passo variável [18].
26
Pesquisas mostram que aerogerador de passo fixo faz com que haja um torque
de partida inadequado. Já o de passo variável, ajuda as pás a terem mais força de
arrasto, podendo até superar o torque inicial tirando as hélices de repouso. Entre-
tanto, isso depende de um mecanismo de controle mais sofisticado, o que encarece o
projeto, porém as de passo variável levam uma vantagem de 30% sobre as de passo
fixo [18] [53].
Pesquisadores da Universidade de Wollongong inventaram um dispositivo que faz
com que o passo das pás, o movimento e posicionamento de cada pá altera o passo da
outra. Assim gera um aumento significativo do coeficiente de velocidade periférica
(λ), permitindo que a turbina dê partida. Porém, apesar disso os testes para essa
turbina experimental apresentaram um rendimento modesto de apenas 25% para
uma velocidade média 9m/s, apesar de ter pontos acima dessa curva, beirando os
38%, não garantiu esse rendimento. O que deixa lastro a ser melhorado [54].
Figura 3.3: Turbina Darrieus H, CARMO [15]
Devido a essas pequenas diferenças, esse modelo é conhecido por diversos nomes,
todos basicamente se tratando do mesmo modelo, é chamado de Giromil, SB-VAWT
(TEEV de lâmina reta, em inglês), Rotor-H, Cycloturbine, entre outros [18] [51].
Uma desvantagem da Darrieus H é a própria estrutura de seu rotor, que provoca
maior esforço estrutural, diminuindo sua vida útil. Visando superar esse problema
estrutural, alguns pesquisadores desenvolveram a Darrieus de pás retorcidas, tam-
bém chamado de rotor Helicoidal, Darrieus Helicoidal e Gorlov [51].
27
Darrieus Helicoidal / Gorlov
O rotor Darrieus H foi inicialmente modificado para uma forma helicoidal pelo
professor A. M. Gorlov em 1995, com o propósito de ser uma turbina aquática, mas
de acordo com a sua patente, já era previsto o uso para energia eólica [55].
A turbina helicoidal alivia o estresse na estrutura do rotor, distribuindo sempre
uma lâmina por todo o perímetro da circunferência do rotor. Essa geometria garante
que sempre haja uma seção da pá para qualquer ângulo de ataque, suavizando as
oscilações do vento. A consequência disso é a diminuição das vibrações que diminui
o estresse na estrutura além da diminuição de ruído, diminuindo a fadiga no rotor,
e aumentando sua vida útil [55] [56].
O aerogerador de Gorlov tem uma geração relativamente estável, produzindo um
torque estável, sem flutuações, gerando maior potência de saída. O gráfico da Figura
3.4, mostra um experimento com turbinas similares, apenas de arquiteturas diferen-
tes, lâminas curvas, retas e helicoidais. A turbina Darrieus de curva Troposkein,
foi a que mais apresentou flutuação na variação de coeficiente de potência, 0.3 Cp.
A Darrieus H não ficou muito longe, apresentando um ∆Cp de 0.2, sendo a Gorlov
muito reduzida, apenas 0.03 Cp [16].
Figura 3.4: Variação do coeficiente de potência entre 3 modelos de TEEV, SCHEU-
RICH [16]
Segundo experimentos de BATTISTI [56], a turbina Gorlov apresenta rendi-
mento igual e em algumas situações até superior a Darrieus H, apresentando por
28
exemplo um coeficiente de velocidade periférica mais abrangente que os outros mode-
los. Entretanto, para λ pequenos apresenta menor eficiência, tendo uma velocidade
de vento para partida de aproximadamente 5 m/s.
Figura 3.5: Turbina Darrieus Helicoidal (VENCO-Twister-1000-T), VENCO [17]
3.2.2 Savonius
A turbina Savonius, invenção do finlandês Sigurd J. Savonius em 1929, é uma
turbina formada basicamente por duas ou mais conchas fixadas no eixo vertical em
sentidos opostos, que através da força de arrasto do vento são empurradas a girar
[18].
Esse modelo de turbina é de fabricação relativamente simples, sendo mais econô-
mico que os demais. Os esforços estruturais realizados no eixo do rotor também são
menos intensos que as Darrieus. Diferente das Darrieus, as Savonius possuem um λ
elevado, começando a girar a uma velocidade mais baixa, sem precisar de motor de
partida. Entretanto o rendimento apresentado por ela é o menor de todos os demais
modelos de TEEV, em média 15%. Por isso se torna pouco atrativa para a geração
de energia [15].
Ao longo dos anos, muito por conta da simplicidade de produção, houve estudos
em busca de melhorar o rendimento deste rotor. Entre os mais conhecidos são quatro
modelos, Savonius com 3 pás (3 Blades Rotor), Savonius de pé helicoidal (Helical
Rotor), Savonius de 2 estágios (Double-step Rotor), e Savonius T modificada (T.
Modified Rotor) [19].
Em testes entre esses cinco modelos realizados por Díaz, Pajaro e Salas [19]
29
Figura 3.6: Modelooriginal da turbina Savonius, ISLAM [18]
Figura 3.7: Diversos modelos de turbina Savonius, DÍAZ [19]
da Universidade Autônoma do Caribe da Colômbia, o modelo que apresentou maior
coeficiente de potência (Cp) e maior coeficiente de torque (Cm) foi o modelo Savonius
Helicoidal, chegando a um Cp=0,18 e Cm=0,35. Apesar desses números, os testes
feitos por Savonius entre outros pesquisadores, após investigarem 30 modelos do S-
rotor, indicaram um rendimento máximo de 31% em testes em túnel de vento, e até
37% ao ar livre. Ainda outros testes feitos por GUPTA, DEP, MISRA [57], indicaram
resultados mais positivos ainda para o modelo Helicoidal, apesentou Cp = 0, 462 e
Cm = 0, 282 [19] [21].
30
Outro modelo bastante usado que não participou do teste foi o modelo Savonius
de conchas retorcidas.
O aerogerador Savonius é comumente usado em aplicações de baixa potência,
como medidores, mas há estudos e até algumas aplicações desse modelo para atuação
junto com a turbina Darrieus, devido a sua boa capacidade de partida [53].
Figura 3.8: Turbina Savonius de Conchas Retorcidas, CARMO [15]
3.2.3 Darrieus-Savonius
A combinação das turbinas Darrieus e Savonius retornam uma performance su-
perior ao uso das duas turbinas separadamente. A Savonius atua a partir de baixas
velocidades, através de seu grande aproveitamento de força de arrasto, gera um
grande torque fazendo o rotor girar, o que soluciona uma das deficiências da Darri-
eus, a partida. Já a Darrieus tem uma rotação superior, e um grande coeficiente de
potência [21].
Os modelos mesclam diferentes tipos de rotor Savonius com os Darrieus, e tam-
bém podem ser inseridos tanto no interior do rotor eggbeatter quanto acima ou
abaixo dele, no mesmo eixo.
De acordo com as características dadas pela empresa HIVAWT [20], os cálculos
indicam que o aerogerador da Figura 3.9A, apresenta um CP'0,5. Já os testes da
turbina da Figura 3.9B feitos por GUPTA, BISWAS, SHARMA [21], indicaram um
CP= 0,53, sendo o melhor desempenho pesquisado nesse trabalho.
31
Figura 3.9: A) DS Turbine, com Savonius de duas seções [20]; B) DS Turbine, com
Savonius de 3 pás [21]
3.3 Densidade do Ar
Para o cálculo de potência do vento, é utilizado o valor de densidade do ar (ρ),
o Atlas Eólico do RJ [5] fornece dados para todo o estado.
Figura 3.10: Densidade do Ar Média Anual, AMARANTE [5]
A densidade mais relevante para o estudo transita entre as regiões de ρ = 1, 186
kg/m3 e ρ = 1, 188 kg/m3.
32
3.4 Potencial do Vento
A energia eólica em si é nada mais que a energia cinética da massa de ar que
passa através da área de varredura de um aerogerador. Essa energia é dada pela
conhecida fórmula:
E =
1
2
mv2 (3.1)
Já a potência do vento é dada pela derivada da energia dessa massa de ar em relação
ao tempo:
P =
dE
dt
=
1
2
ṁv2 (3.2)
Sendo ṁ o fluxo da massa de ar em kg/s, a potência do vento é dada por:
Pvento =
1
2
ρAv3 (3.3)
Percebe-se que a potência eólica está diretamente ligada à densidade e área das
pás, além de ligada diretamente ao cubo da velocidade do vento. Sendo assim,
quanto maior a área varrida pelas turbinas e quanto mais o vento soprar, maior será
a potência aproveitada pelos aerogeradores.
3.5 Potencial Aproveitável
O físico alemão Albert Betz no ano de 1919, publicou um artigo, demonstrando
através da teoria de conservação de energia, a máxima potência que pode ser apro-
veitada da energia dos ventos. De acordo com seus cálculos nenhum aerogerador
pode ter aproveitamento maior que 16
27
, ou 59,3% [58].
A prática é muito difícil se chegar perto desse valor, a maioria das turbinas em
uso chegam no máximo a 45%.
Sendo assim a potência extraída pela turbina é igual a potência do vento vezes
a eficiência da turbina:
Pmec =
1
2
ρAv3CP (3.4)
Para calcular a potência elétrica resultante, ainda deve-se considerar o rendi-
mento do gerador elétrico da turbina (ηg) e do conversor eletrônico de potência (ηc),
caso haja:
Pe =
1
2
ρAv3CPηgηc (3.5)
33
Figura 3.11: Coeficiente de Potência X Coeficiente de Velocidade Específica das
diferentes turbinas, RESEARCHGATE [22]
3.6 Coeficiente de Velocidade Específica
O coeficiente de velocidade específica ou periférica como também é chamado,
é também conhecido pela sigla em inglês TSR ( Tip Speed Ratio) e também pelo
símbolo λ. Ele é a razão entre a velocidade da ponta da pá e a velocidade do vento:
λ =
vu
v
(3.6)
Sendo a velocidade da pá, o produto entre a velocidade angular da lâmina e o raio
da mesma:
vu = ωR (3.7)
O coeficiente de potência CP das turbinas eólicas, variam de acordo com o TSR,
como é ilustrado no gráfico da Figura 3.11. Dessa forma, é possível otimizar o
funcionamento do aerogerador, ajustando a velocidade de rotação do rotor, de acordo
com a velocidade de vento incidente no local. Obtendo-se um λotimo, atinge-se o
CPmax .
3.7 Solidez
Outro parâmetro que está ligado ao coeficiente de velocidade específica é a solidez
das turbinas. A solidez conhecida pela letra Ω, possui relação inversa com λ e direta
com o torque. Quanto maior a solidez de uma turbina, maior será seu torque e
menor seu TSR. Sua fórmula se dá por:
34
Ω =
SN
A
(3.8)
Onde S é a área de cada pá, N o número de pás e A a área total varrida pela
turbina. As turbinas com muita solidez, geralmente são usadas para atividades
que necessitem de maior torque, como bombeamento de água e moagem. Já as
turbinas para geração de energia elétrica geralmente necessitam de pouca solidez e
mais rotações [53].
3.8 Curva de Potência
Em um aerogerador, a curva de potência representa o quanto é gerado de po-
tência por velocidade do vento. O gráfico de curva de potência também mostra a
velocidade na qual a turbina começa a girar e gerar energia (cut-in speed), a ve-
locidade nominal que o aerogerador foi projetado para gerar energia, onde a curva
se mantém constante, a velocidade de corte, onde o gerador é retirado de operação
para que não seja danificado pela alta velocidade dos ventos (cut-out speed) [49].
Figura 3.12: Curva de Potência de um Aerogerador, SILVA e ABREU-HARBICH
[23]
3.9 Tipos de Geradores Elétricos
Nesta seção serão apresentados os principais tipos de geradores elétricos normal-
mente utilizados em turbinas eólicas conectadas à rede elétrica.
A função do gerador é fornecer um meio de conversão de energia entre o torque
mecânico no rotor da turbina eólica, e uma carga elétrica.
A conexão entra o gerador e a turbina pode ser feita por conexão direta ou com
a utilização de um multiplicador de velocidades. O sistema de multiplicação de
velocidade permite a sincronia entre as velocidades do rotor da turbina e gerador.
35
Essa sincronia otimiza as características do gerador, entretanto, o sistema de
multiplicação, sendo um componente mecânico está sujeito ao desgaste e é mais um
componente que afeta o rendimento do aerogerador. Além disso segundo HANSEN
[59], em alguns casos sua utilização tem sido relativamente pouco confiável.
Com o constante avanço no desenvolvimento de semicondutores de alta potência
para conversores de frequência, aumentou o interesse para o acoplamento direto entre
turbinas de velocidade variável e geradores. Os conversores elétricos podem funcio-
nar como um sistema de multiplicação de velocidades elétrico, com um desempenho
melhor [59].
3.9.1 Gerador de Indução
Uma máquina de indução é assim chamada porque apesar de possuir um estator
típico de dois polos, a tensão em seu rotor é a responsável por produzir a corrente
econsequentemente o campo magnético do próprio rotor. A tensão é induzida em
seus enrolamentos, ao invés de fornecida por uma conexão física de fios [24].
O estator dessa máquina é o mesmo de uma máquina síncrona típica, de dois
polos. Ele tem como funções fornecer a magnetização e carregar a corrente de
armadura, enquanto o rotor carrega apenas a corrente de armadura.
Quando excitado, o movimento do rotor em relação ao campo magnético do
estator cria uma tensão induzida nas barras do rotor. A tensão induzida resulta
num fluxo de corrente que por sua vez produz umcampo magnético [24][59].
A tensão induzida gerada é igual a:
eind = (v ×B).l (3.9)
Onde v é a velocidade da barra do rotor em relação ao campo magnético.
Porém, há um limite finito para a velocidade do rotor. A frequência da rotação do
rotor nunca atinge a frequência do campo do estator, se o rotor estivesse girando na
velocidade síncrona, as barras do rotor estariam estacionárias em relação ao campo,
sendo a velocidade v = 0, não produzindo corrente nem campo magnético no rotor.
A velocidade síncrona é igual a:
nsinc =
120.festator
Npolos
(3.10)
A diferença entre as velocidades de rotação é o conceito chamado de velocidade
de escorregamento do rotor (s).
nesc = nsinc − nrot (3.11)
O escorregamento é dado pela velocidade relativa à velocidade síncrona:
36
s =
nsinc − nrot
nsinc
(×100%) = nesc
nsinc
(×100%) (3.12)
Sendo assim, a velocidade de rotação do rotor é expressa por:
nrot = (1− s)nsinc (3.13)
Enquanto a frequência elétrica é dada por:
frot = sfest (3.14)
O gerador de indução apresenta grande simplicidade de utilização, não necessita
de circuito de campo separado e nem de ser acionado constantemente com veloci-
dade fixa, bastando, para funcionar, que a velocidade da máquina esteja superior
a velocidade síncrona do sistema de potência que esteja conectado, para funcionar
como gerador [24].
Outra vantagem que o faz ser um dos geradores preferidos para a utilização em
aerogeradores é a não necessidade de utilização de um controle sofisticado. En-
tretanto, esse tipo de máquina apresenta algumas limitações para o seu uso como
gerador [24].
Para o funcionamento do gerador, é necessário que haja magnetismo residual no
rotor para que haja tensão. Caso não tenha, a máquina deverá ser magnetizada,
sendo utilizada como motor, momentaneamente [24][59].
Não ter um circuito de campo separado, faz com que a máquina não possa
controlar sua tensão de saída com a variação da corrente de campo e, além disso,
faz com que consuma potência reativa, por isso é necessário que haja uma fonte
externa de potência reativa conectada permanentemente à máquina para que ela
mantenha o campo magnético em seu estator e controle sua tensão terminal, além
de apresentar um baixo fator de potência. A utilização de um banco de capacitores
se faz necessário para resolver essas limitações [59] [24].
Provavelmente, o problema mais sério com o gerador de indução, seja a grande
variação de sua tensão com as mudanças de carga, principalmente as reativas. O
escorregamento varia, aumentando conforme a carga aumenta. A potência reativa é
suprida apenas pelo banco de capacitores que é fixo, então uma alteração na carga
reativa, especialmente indutiva, provoca uma mudança brusca na tensão, levando
rapidamente a um colapso [59] [24].
Operando dessa forma, o gerador de indução é praticamente incontrolável, sendo
que qualquer variação passa para rede, o que dificulta a aceitação pela parte das
distribuidores de energia.
Mesmo com algumas limitações ainda é muito utilizado para sistemas eólicos
37
de pequeno porte, principalmente pela simplicidade, construção robusta, pequeno
tamanho por quilowatt de saída, além de fácil manutenção, que consiste em apenas
em lubrificação [59] [24].
Alguns fabricantes investiram em formas de controlar o gerador de indução
usando da eletrônica de potência, um enrolamento isolado no rotor. Dessa forma a
potência do rotor pode ser controlada pelo conversor.Uma alternativa seria instalar
um conversor de potência em série no circuito de armadura, dessa forma, obteria-se
total controle sobre a performance do gerador de indução, segundo HANSEN [59].
Ainda segundo HANSEN [59], esse tipo de gerador apresenta uma eficiência
entre 75% e 78% para velocidades acima de 2500 rpm, abaixo dessa velocidade sua
eficiência desce a níveis muito abaixo do aceitável para a operação.
Há dois diferentes tipos de máquinas de indução que podem ser utilizados. Um
é o rotor gaiola de esquilo e o outro rotor bobinado.
Gerador de Indução com Rotor Gaiola de Esquilo
O rotor tipo gaiola de esquilo (GIGE), segundo CHAPMAN [24], consiste em
uma série de barras condutoras que estão encaixadas dentro de ranhuras na superfície
do rotor e postas em curto-circuito em ambas as extremidades.
Figura 3.13: Diagramas em corte de máquinas de indução com rotor gaiola de esquilo
de pequeno e grande porte, CHAPMAN [24]
Ele é operado principalmente de três formas diferentes:
38
• Operação Direta em Velocidade Fixa
Segundo MARQUES [25] e PETERSSON [26] a utilização do GIGE conectado
direto à rede é um conceito bastante comum utilizado pioneiramente na Dinamarca
desde os anos 1980. É um modelo com baixo custo e robustez.
Nesse conceito, o rotor da turbina gira a uma velocidade fixa, a mesma do rotor do
gerador em operação, independente da velocidade do vento. O gerador utilizado deve
ser escolhido baseado na velocidade média esperada do vento no local. Nesse caso
é normalmente usado controle de passo e stall nas turbinas para que a velocidade
ótima de rendimento do gerador seja alcançada e depois mantida [60].
Entretanto mesmo com a velocidade fixa, a inconstância dos ventos promove va-
riações na turbina ainda assim. Como as máquinas de indução possuem uma relação
de torque por velocidade com inclinação bastante abrupta, o torque e consequen-
temente a potência variam consideravelmente mesmo com pequenas mudanças de
velocidade no rotor [60].
• Operação em Duas Velocidades
◦ Operação Com Dois Geradores
É um conceito também dinamarquês, considerado uma evolução ao modelo de
velocidade fixa, onde são usados dois geradores conectados à turbina eólica. E
utilizado para uma faixa de potência de 30kW a 450kW[25] [26].
Nesse sistema, a máquina 1 inicia a operação consumindo energia da rede elétrica,
operando como motor, até que a velocidade do vento aumente fazendo o rotor da
turbina eólica ultrapassar a velocidade síncrona, fazendo a máquina 1 trabalhar no
modo gerador iniciando o fornecimento de energia elétrica para a rede [25].
Quando o vento aumenta ao ponto de a velocidade da máquina 1 ultrapassar a
sua potência máxima, esse gerador é desligado, e nesse instante a energia do vento
é completamente convertida em energia cinética sendo armazenada na inércia do
rotor. Caso o vento aumente a ponto de o rotor alcançar a velocidade síncrona
da máquina 2 (de maior velocidade nominal), esse será conectado a rede elétrica,
fazendo o aerogerador voltar a fornecer energia à rede [25].
A transição de velocidades entre os geradores não é instantânea, há um intervalo
de velocidades em que o aerogerador não produz energia elétrica, como ilustrado
no gráfico da Figura 3.14. Outra desvantagem é a elevada carga nos componentes
mecânicos durante a troca de geradores.
◦ Operação com Troca de Polos
Esse tipo de operação é utilizada para turbinas na faixa de 2 MW. A sua forma
de operação é parecida com a de dois geradores, porém ao invés de utilizar duas má-
quinas de indução, trocam-se os polos do gerador de indução, tendo assim a mesma
39
Figura 3.14: Gráfico Torque × Velocidade do rotor em operação de duas velocidades,
MARQUES [25]
desvantagem no que se refere ao desgaste das engrenagens na troca de polos, além
da energia capturada pela turbina no modelo de duas velocidades ser geralmente
menor que no modelo de velocidade variável, segundo MARQUES [25].
Figura 3.15: Sistema de geração eólica com gerador de indução, MARQUES [25]
A Figura 3.15 mostra um sistema de geração eólica com rotor de gaiola de esquilo,
operando com um multiplicador de velocidades, onde há a presença de um banco de
capacitores projetado para corrigir o fator de potência em toda a faixa de operação,
40
através da média da potência reativa medida em um período de tempo.
Há a utilização de um sistema de supervisão, utilizado para proteger o aeroge-
rador, por falta na rede elétrica, ou proteger contra uma velocidade excessiva dos
ventos que possa danificar a turbina eólica.
Gerador de Indução com Rotor Bobinado
O rotor bobinado, possui um conjuntocompleto de enrolamentos trifásicos si-
milares aos enrolamentos do estator, tendo as suas três fases geralmente ligadas em
Y e suas três terminações conectadas aos anéis deslizantes no eixo do rotor. Esco-
Figura 3.16: Duas fotos de Rotores Bobinados de Gerador de Indução, CHAPMAN
[24]
vas apoiam os anéis deslizantes curto-circuitando os enrolamentos do rotor. Essas
escovas também permite que se acesse as correntes do rotor, podendo assim ser
examinadas, e permite que o gerador seja utilizado de duas formas.
• Velocidade Semi-Variável
De acordo com a necessidade pode-se acrescentar ou remover resistências extras
no circuito do motor, podendo assim manipular as características de conjugado
versus velocidade do motor, permitindo a melhor operação do gerador para diferentes
velocidades [24] [26] [25].
As principais desvangens são o menor rendimento devido ao desperdício de ener-
gia pelos resistores, além de continuar necessitando de um banco de capacitores
ligados em paralelo.
41
• Velocidade Variável com Dupla Alimentação
Esse modelo se tornou muito utilizado recentemente por permitir a operação
em velocidade variável, solucionando um dos principais problemas dos geradores de
operação em velocidade fixa ou de duas velocidades, onde há intervalos de velocidade
em que o aerogerador para de fornecer energia elétrica para a rede.
O gerador de indução com dupla alimentação (GIDA), recebe essa denominação,
pois enquanto o estator é conectado diretamente à rede, o rotor é conectado à um
conversor de potência, através de seu circuito rotórico. E segundo MARQUES [27]
o gerador de indução utilizado para essa operação é o de rotor bobinado citado na
Seção 3.9.1 [26] [25].
Figura 3.17: Sistema de operação em velocidade variável com gerador de indução
em dupla alimentação, PETERSSON [26]
A função desse conversor é controlar apenas a potência de escorregamento do
rotor, sendo assim é um conversor projetado geralmente para uma potência entre
20%− 30% da nominal do gerador.
Como mostra a Figura 3.17, são utilizados dois conversores back-to-back, um
conectado do lado da máquina de indução e o outro conectado do lado da rede, e
entre eles um capacitor de acoplamento, afim de manter o ripple durante as variações
de tensão [26] [25].
Com o conversor instalado, é possível controlar o torque, a velocidade do gerador
e o fator de potência nos terminais do estator. Todo esse uso da eletrônica de
potência na máquina de indução é com o intuito de manter a tensão constante no
fornecimento à rede [26].
O conversor do lado do gerador tem como função controlar o torque e conse-
quentemente a potência ativa, além de suprir parte da potência reativa, mantendo
a magnetização do rotor, enquanto o do lado da rede controla o barramento CC e
42
também o fator de potência entre a máquina e a rede [25] [27].
Comparativamente, esse sistema apresenta alta eficiência , devido às perdas se-
rem bem reduzidas se comparados aos conversores instalados para lidar com a po-
tência total do sistema. Também mostra ser um sistema robusto e estável, inde-
pendente das variações externas. Consequentemente o custo do conversor para esse
sistema também será mais barato. Em contrapartida, é um sistema que necessita
uma manutenção periódica, devido a utilização de escovas nos anéis do rotor [26]
[25] [27].
Segundo PETERSSON [26] esse modelo apresenta eficiência entre 90%− 95%.
Figura 3.18: Vista em corte de um Gerador de Indução de Rotor Bobinado, CHAP-
MAN [24]
Porém, apesar das vantagens da utilização do GIRB descritas acima, o uso do
rotor bobinado é inevitavelmente mais caro, exigem muito mais manutenção de-
vido aos desgastes de seus anéis e escovas, sendo assim raramente são utilizados na
indústria.[24]
3.9.2 Gerador Síncrono
O gerador síncrono é uma máquina elétrica utilizada amplamente para conver-
são de energia mecânica em energia elétrica. Nesse gerador, o campo magnético é
produzido no rotor, enquanto o estator consiste em um núcleo ferromagnético o qual
possui três enrolamentos trifásicos, que através deles a carga externa será conectada
[24] [27].
As máquinas síncronas são classificadas em duas categorias: Gerador Síncrono
de Rotor Bobinado e Gerador Síncrono de Imã Permanente, que serão detalhados
nas subseções mais a frente.
Em ambos, um campo magnético é gerado no rotor, que ao ser rotacionado por
uma fonte motriz externa, é produzido um campo girante no interior da máquina,
43
esse campo por sua vez irá induzir tensões nos enrolamentos do estator. [24] [59]
[27]
O rotor de um gerador síncrono é um grande ímã, onde seus polos podem ser
construídos de duas formas, salientes ou lisos [24].
• Rotores de polos lisos
Nesses rotores chamados de lisos, os polos ficam encaixados em ranhuras nive-
lados na superfície do rotor, dando uma aparência sólida e lisa ao rotor. Possuem
como característica o número de polos reduzidos normalmente a dois ou quatro po-
los, o que gera uma velocidade elevada, e um rotor de diâmetro mais delgado [24]
.
Figura 3.19: Rotor de polos não salientes, CHAPMAN [24]
44
• Rotores de polos salientes
O rotor de polos salientes apresenta protuberâncias no núcleo de ferro, onde na
verdade essas saliências são entreferros do núcleo ferromagnético do rotor. O rotor de
polos salientes pode apresentar quatro ou mais polos o que gera uma baixa velocidade
de rotação, característica essa que faz ser o rotor preferido para a aplicação em
aerogeradores [24] [25].
Figura 3.20: Rotor de polos salientes, CHAPMAN [24]
Gerador Síncrono de Rotor Bobinado
Como o nome diz, nesse modelo, um circuito é bobinado em torno dos polos para
gerar o fluxo magnético no rotor, e são dispostos de forma simétrica ao longo do
perímetro do rotor.
Para que seja um eletroímã e gere campo magnético, é necessário que receba
excitação de corrente contínua nas bobinas do rotor, segundo CHAPMAN [24], há
duas formas de se fornecer a corrente CC aos seus enrolamentos:
• Uma fonte externa que forneça potência CC por meio de escovas conectadas
em anéis deslizantes no eixo do rotor.
• Fonte montada diretamente no eixo do gerador síncrono.
Os anéis deslizantes são anéis metálicos, porém apesar de envolverem o eixo
do rotor estão isolados dele. O enrolamento CC é conectado a esses anéis, cada
extremidade em um anel, por sua vez cada escova fixa é conectada a um dos anéis
também. As escovas são nada mais que blocos de grafite, material que tem boa
condutividade elétrica e baixo atrito, visando fornecer a corrente porém com o menor
desgaste possível aos anéis deslizantes [24] .
As escovas e os anéis são o calcanhar de Aquiles das máquinas síncronas, pois
exigem manutenção frequente devido ao desgaste das escovas. A queda de tensão
45
nas escovas, é causa de perda de potência nos geradores, porém ainda assim, é o
método de melhor custo benefício para máquinas desse tipo [24].
Há ainda em sistemas mais modernos a alternativa, onde a excitação é fornecida
através de excitatrizes CA e retificadores, transformando CA em CC. É uma opção
mais cara e complexa, porém exige pouca manutenção [27] [61].
As vantagens desse modelo são que o enrolamento de campo permite o controle
direto do torque eletromagnético, consequentemente o fator de potencia do gerador,
além disso, segundo MARQUES [27] toda corrente do estator é utilizada para pro-
dução de torque eletromagnético, fazendo com que a máquina tenha uma eficiência
alta.
Os geradores de rotor bobinado mais utilizados em aerogeradores, são os de polos
salientes com grande número de polos, como já dito anteriormente, o grande número
de polos propicia uma baixa velocidade de operação, o que retira a necessidade de
uma caixa de multiplicação de velocidades, havendo assim o acoplamento direto com
a turbina eólica. Além disso, os polos salientes resultam num maior torque produzido
no gerador, e maior robustez na resposta da máquina, permitindo a operação em
velocidade variável [25] [27] [61].
Figura 3.21: Corte de uma máquina síncrona de rotor bobinado, CHAPMAN [24]
Rotor com Ímã