AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO. Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo

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1 AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo 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 Março de 2019

2 AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo 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, Dr. Eng. Prof. Robson Francisco da Silva Dias, D. Sc. Prof. Sergio Sami Hazan, Ph. D. RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL MARÇO DE 2019

3 Aos meus pais, meus irmãos e ao meu namorado. iii

4 Agradecimentos Primeiramente agradeço a minha família, meus pais, Luiz Claudio Fernandes e Rosemere Salgueiro, meus irmãos, Mariana Salgueiro, Pedro Salgueiro e Lucca Figueiredo e ao meu namorado, José Vitor Hisse por me apoiarem e tornarem o sonho de minha formação em engenharia possível, por toda a dedicação na base da minha educação e cultura, e por todo o carinho dedicado ao longo de todos esses anos. Agradeço aos professores da Universidade Federal do Rio de Janeiro e das escolas que estudei pela paciência e dedicação em me ensinar e orientar para que chegasse a este Projeto Final e obtivesse o grau de Engenheiro Eletricista. Agradeço aos meus amigos que me acompanharam nessa trajetória a paciência, amizade, companheirismo e confidencialidade para que o objetivo da formação se tornasse mais leve e prazeroso. A todos esses o meu muito obrigado. iv

5 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. AVALIAÇÃO DE VIABILIDADE DE APLICAÇÃO DE AEROGERADOR DE PEQUENO PORTE EM UMA POUSADA EM ARRAIAL DO CABO Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo Março/2019 Orientador: Jorge Luiz do Nascimento Curso: Engenharia Elétrica Nos dias de hoje é possível notar a crescente preocupação com o meio ambiente, e consequentemente, com as fontes de energia utilizadas no mundo, principalmente com o uso de combustíveis fósseis que são tão nocivos ao planeta. Esses combustíveis, além de serem prejudiciais para a natureza, são finitos e não renováveis, levando milhões de anos para se formarem. Sendo assim, há uma importante busca por novos recursos que promovam a geração de energia limpa a partir de fontes renováveis, como por exemplo: o vento. Uma fonte inesgotável e excelente alternativa para substituir, em parte, a matriz energética mundial a longo prazo. Com a intenção de aprofundar um pouco mais os conhecimentos nessa área, o presente trabalho possui o objetivo de avaliar a viabilidade da instalação de aerogeradores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo, Região dos Lagos do Rio de Janeiro, determinando a melhor turbina eólica para instalação no local e projetando o valor da instalação do aerogerador e o tempo de retorno (payback) do projeto. Estão presentes nesse trabalho: os dados fornecidos por institutos de análise meteorológica e agrícola, aerogeradores com tecnologia nacional, cálculos de eficiência e comparação de aerogeradores e cálculo de payback. Palavras-chave: Energia eólica, aerogerador, projeto eólico, fontes alternativas. v

6 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Eletric Engineer. EVALUATION OF VIABILITY OF APPLICATION OF WIND TURBINE IN A BUILDING IN ARRAIAL DO CABO Ana Clara Valente Salgueiro Figueiredo March/2019 Advisor: Jorge Luiz do Nascimento Course: Electrical Engineering Nowadays, it is possible to notice the growing concern with the environment, and consequently with the energy sources used in the world, mainly with the use of fossil fuels that are so harmful to the planet. These fuels, in addition to being harmful to nature, are finite and non-renewable, taking millions of years to form. Therefore, there is an important search for new resources that promote the generation of clean energy from renewable sources, such as wind. An inexhaustible source and an excellent alternative to replace, in part, the world s long-term energy matrix. With the intention to deepen the knowledge in this area a little more, the present work has the objective to evaluate the viability of the installation of small wind turbines in an hotel in Arraial do Cabo, Rio de Janeiro, finding the best wind turbine for on-site installation and designing the value of the wind turbine installation and the payback time of the project. The present work includes: data provided by meteorological and agricultural analysis institutes, wind turbines with national technology, efficiency calculations and comparison of wind turbines and payback calculation. Keywords: Wind energy, wind turbine, wind project, alternative sources. vi

7 Sumário Lista de Figuras ix Lista de Tabelas xii 1 Introdução Objetivo Justificativa Metodologia Estrutura do Trabalho Geração Eólica Histórico Cenário Atual Revisão Técnica Classes de geração de energia elétrica Princípio de Funcionamento Componentes do Gerador Eólico Tipos de Turbinas Eólicas Aerogeradores de Pequeno Porte Revisão Teórica Potência do Vento Potência Aproveitável vii

8 4.3 Velocidade Específica Solidez do Rotor Fator de Capacidade Curva de Potência Distribuição de Weibull Aplicação dos Sistemas Elétricos Sistemas Isolados Sistemas Híbridos Sistemas Ligados à Rede Dimensionamento e Especificações Condições Locais Levantamento de informações eólicas Análise de informações e tratamento matemático Informações Geográficas Consumo de Energia Elétrica Análise de Aerogeradores de Porte Doméstico Comparação entre Aerogeradores Viabilidade Econômica Conclusão 57 Referências Bibliográficas 59 A Catálogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64 viii

9 Lista de Figuras 1.1 Histórico da Matriz Energética Alemã. [1] Matriz Energética Brasileira [2] Matriz Energética Brasileira [3] Matriz Energética Brasileira [4] Evolução do número de conexões de Geração Distribuída. [6] Evolução das interrupções de energia em minutos ao longo dos anos.[7] [8] Preço Médio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo.[9] Resquícios arqueológicos de moinhos de vento Persa. [11] Aerogerador projetado por Charles F. Brush em [12] Potência eólica instalada no mundo. [14] Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte [15] Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte [2] Complementaridade entre a geração hidrelétrica e eólica. [17] Potência eólica instalada no Brasil. Elaboração Própria Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal. [20] Turbina Darrieus. [21] Turbina Savonius. [23] Configurações da Darrieus-Savonius. [24] Turbina Horizontal. [26] Turbinas Skystream, Superwind 350 e Whisper 500.[27] [28] ix

10 3.7 Turbinas VAWT 300W, WS-0,15 B e Falcon 600W.[29] [30] [31] Relação entre coeficiente de potência e razão de velocidades [32] Relação entre a solidez e a velocidade específica [34] Curvas de potência para dois geradores eólicos [36] Diagrama típico da curva de potência de um gerador eólico Elaboração Própria Diagrama de aerogerador em função da carga utilizada. [10] Exemplo de sistema híbrido [38] Configuração de sistema conectado a rede elétrica. [39] Potencial Eólico Brasileiro [40] Mapa Eólico do Estado do Rio de Janeiro. [41] Mapa Eólico da Região dos Lagos. [41] Duração das interrupções na Região Leste Fluminense. [42] Frequência das interrupções na Região Leste Fluminense. [42] Média Mensal de Ventos Médios. Elaboração Própria [43] Distribuição de Weibull. Elaboração Própria Localização da Pousada. [44] Localização da Pousada. [44] Mapa Topográfico da Cidade de Arraial do Cabo. [45] Local Designado para Instalação do Aerogerador. [44] Distribuição do consumo de energia diário Curva de Potência do aerogerador Notus 138. [47] Curva de Potência do aerogerador Gerar 246. [48] Curva de Potência do aerogerador Razec 266. [49] Curva de Potência do aerogerador Verne 555. [50] A.1 Aerogerador Verne 555 da Enersud. [50] A.2 Aerogerador Notus 138 da Enersud. [47] x

11 A.3 Aerogerador Gerar 246 da Enersud. [48] A.4 Aerogerador Razec 266 da Enersud. [49] xi

12 Lista de Tabelas 5.1 Duração e frequência das interrupções por municípios (DEC e FEC)[42] Média Mensal de Ventos Médios Lista de Cargas da Pousada Distribuição do Consumo de Energia diário (1/4) Distribuição do Consumo de Energia diário (2/4) Distribuição do Consumo de Energia diário (3/4) Distribuição do Consumo de Energia diário (4/4) Cargas acionadas à noite Resumo do Consumo de Energia Elétrica da Pousada Dados Gerais aerogerador Notus 138. [47] Dados Gerais aerogerador Gerar 246. [48] Dados Gerais aerogerador Razec 266. [49] Dados Gerais aerogerador Verne 555. [50] Distribuição das velocidades do vento em Energia Anual Gerada por Aerogerador Razão de Geração por Aerogerador Fator de Capacidade por Aerogerador Custo dos Equipamentos Valores de Equipamento para instalação Custo dos Equipamentos Evolução das revisões ou reajustes tarifários [51] xii

13 5.22 Economia de Energia xiii

14 Capítulo 1 Introdução Após décadas de exploração de recursos naturais, a população vem sofrendo com a poluição, a alteração de ecossistemas e com a escassez de diversos desses recursos. Considerando o crescimento populacional e a crescente demanda por eletricidade, a busca por fontes alternativas aos combustíveis fósseis vem ganhando força diante da necessidade de produção cada vez maior da sociedade. Essa atual preocupação fez aumentar o interesse por outras formas de aproveitamento de energia, principalmente, pelas fontes renováveis. As fontes renováveis são aquelas cuja reposição pela natureza ocorre de forma mais rápida que sua utilização energética, como ventos, ondas do mar, águas do rio, marés e a energia solar. Já as fontes não renováveis são aquelas passíveis de se esgotar por serem utilizadas com uma velocidade bem maior que a velocidade necessária para sua formação, como é o caso do carvão, lenha, combustíveis fósseis e nucleares. Uma das medidas, que vem sendo adotada em diversos países, é a diversificação da matriz energética e a troca do uso de combustíveis fósseis, principalmente do petróleo e seus derivados, lenha e carvão, por novas fontes limpas e renováveis, como a energia eólica, que será objeto de estudo desse trabalho. A Alemanha, por exemplo, desde 2000 quando a nova Lei de Energias Renováveis foi implementada passa por uma mudança energética contínua conforme ilustra a Figura 1.1, tornando as fontes renováveis o grande foco da matriz de energia alemã. 1

15 Figura 1.1: Histórico da Matriz Energética Alemã. [1] No Brasil, a adoção da energia eólica como fonte geradora de energia elétrica ainda é pequena se comparada com o potencial eólico disponível no país. Os seus altos custos iniciais conferiram à energia eólica uma condição de baixa competitividade no mercado nacional por muito tempo. Graças às políticas de incentivos econômicos e regulatórios, a energia eólica conseguiu superar algumas de suas dificuldades e experimentou um impressionante aumento na sua participação na matriz elétrica brasileira. Figura 1.2: Matriz Energética Brasileira [2] 2

16 Figura 1.3: Matriz Energética Brasileira [3] Figura 1.4: Matriz Energética Brasileira [4] Umas das políticas foi a Resolução Normativa 482/2012 da ANEEL, que entrou em vigor em 12 de abril de 2012, 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 à rede de distribuição da localidade [5], estimulando o crescimento da geração distribuída, como é mostrado no gráfico da Figura 1.5. A geração distribuída é uma expressão usada para a geração elétrica realizada próxima ao consumidor, independente da concessionária de energia elétrica. 3

17 Figura 1.5: Evolução do número de conexões de Geração Distribuída. [6] Além desses incentivos, outros fatores promoveram o crescimento da geração distribuída, como: a baixa qualidade no fornecimento de energia elétrica no Brasil, conforme é mostrado na Figura 1.6, e as oscilações do custo de energia em razão da dependência hídrica na produção de energia, como ocorreu em 2015, com o aumento de 70% das tarifas de energia elétrica, conforme mostrado na Figura 1.7. Tais fatores geram incertezas no consumidor que busca formas de reduzir sua dependência da rede externa. Figura 1.6: Evolução das interrupções de energia em minutos ao longo dos anos.[7] [8] 4

18 Figura 1.7: Preço Médio Mensal da Tarifa por Tipo de Consumo.[9] Diante desse cenário e da grande disponibilidade de ventos na região a ser estudada, este trabalho visa realizar um estudo de vialibidade da instalação de aerogeradores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo, Região dos Lagos do Rio de Janeiro. 1.1 Objetivo Este trabalho tem o objetivo de avaliar a viabilidade da instalação de aerogeradores de pequeno porte em uma pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo, Região dos Lagos do Rio de Janeiro, determinando a melhor turbina eólica para instalação no local e projetando o valor da instalação do aerogerador e o tempo de retorno (payback) do projeto. 1.2 Justificativa A característica da região escolhida, com ventos fortes e constantes, motivaram a avaliação da mesma para aerogeradores de pequeno porte uma vez que as fontes alternativas são bastantes procuradas na resolução dos problemas de fornecimentos de energia elétrica registrados na região. 5

19 1.3 Metodologia Metodologia utilizada no trabalho: 1. Contextualização histórica; 2. Revisão técnica da energia eólica; 3. Revisão teórica dos modelos matemáticos presentes na geração eólica; 4. Elaboração do dimensionamento de aerogeradores 1.4 Estrutura do Trabalho O presente trabalho está dividido em oito capítulos, dos quais esta introdução é o primeiro. No Capítulo 2 é realizada uma apresentação da história da energia eólica, seus primeiros projetos e sua representação no Brasil e no Mundo. O Capitulo 3 trata de uma revisão técnica dos principais conceitos e características relacionados à energia eólica, tais como: o funcionamento dos aerogeradores, os tipos de aerogeradores e as classes de geração. O enfoque principal do Capitulo 4 é a realização de uma revisão teórica da potência extraída do vento e de geração, da solidez do rotor e as aplicações de sistemas eólicos. O Capitulo 5 refere-se à realização do dimensionamento de aerogeradores de pequeno porte numa pousada localizadas na Região dos Lagos do Rio de Janeiro. No Capítulo 6 é feita uma conclusão de todos os estudos realizados ao longo desse projeto e, por fim, é apresentada a bibliografia utilizada. 6

20 Capítulo 2 Geração Eólica 2.1 Histórico A utilização do vento como um recurso benéfico ao Homem surgiu na descoberta da conversão da energia contida nele em algo produtivo. Desde aproximadamente 200 A.C., a força mecânica dos ventos é utilizada pelo homem, em moinhos de grãos, impulsionando velas fixadas nas embarcações e bombeando água para as plantações. Assim, a força motriz humana e animal foi sendo complementada e aos poucos substituída pela energia do vento. O aproveitamento da energia dos ventos no bombeamento de água e moagem de grãos com o uso dos cata-ventos foi registrado pela primeira vez na história na Pérsia, cerca de 200 A.C. Entretanto, existem indícios que levam a crer que antes da invenção dos cata-ventos na Pérsia, a China (2000 A.C.) e o Império Babilônico (1700 A.C) já usavam os cata-ventos rústicos para irrigação [10]. Figura 2.1: Resquícios arqueológicos de moinhos de vento Persa. [11] 7

21 Iniciou-se, no final do século XIX, a utilização dos cata-ventos para geração de energia elétrica. O primeiro moinho de vento construído para a produção de energia elétrica foi fabricado na Escócia, no ano de 1887 [12]. Instalado no jardim de uma casa, a geração do moinho carregava acumuladores, que alimentavam a iluminação da casa. Um ano depois, em Ohio, Estados Unidos, foi instalado o primeiro catavento destinado a geração de energia elétrica. Tal cata-vento fornecia 12 kw em corrente contínua para carregamento de baterias, destinadas para o fornecimento de energia para 350 lâmpadas incandescentes. Figura 2.2: Aerogerador projetado por Charles F. Brush em [12] Cerca de 40 anos depois da construção do moinho de vento destinado a geração de energia elétrica, na Rússia, foram dados os primeiros passos para o desenvolvimento de turbinas eólicas de grande porte para aplicações elétricas. O aerogerador Balaclava de potência de 100 kw, foi o primeiro aerogerador conectado a rede elétrica. Através da linha de transmissão de 6,3 kv de 30 km, o aerogerador foi conectado a uma usina termelétrica de 20 MW. Após essa primeira tentativa bem-sucedida de se conectar um aerogerador de corrente alternada a uma usina, foram projetados diversos outros modelos mais ambiciosos. O desenvolvimento dos aerogeradores ganhou força durante a Segunda Guerra Mundial ( ), uma vez que os países buscavam economizar combustíveis fósseis. No entanto, com o fim da guerra os combustíveis fósseis voltaram a ser abundantes no cenário mundial, reduzindo o investimento em novas fontes energéti- 8

22 cas como a energia eólica. Na década de 70, quando a eletricidade já era predominantemente fornecida por combustíveis fósseis, aconteceu a crise do petróleo. Diante da necessidade de encontrar fontes alternativas de energia, a energia eólica voltou a ganhar prestígio. Na década de 90, surgiu na Alemanha a primeira lei de incentivo a geração eólica, a Lei de Fomento à Eletricidade, que criou a feed-in tariff, conhecida como tarifaprêmio, que garantia a compra de toda energia gerada por um preço equivalente, no mínimo, a 90% do preço médio de venda de energia, aos produtores de energia que utilizassem fonte eólica ou solar. Esse incentivo possibilitou um crescimento expressivo da potência eólica instalada no mundo a partir do meio da década de 90. Dessa forma, no final do século XX, o mercado de energia eólica se diversificou, surgindo instalações e fabricantes em diversas partes do mundo como Ásia, Índia e China [13]. 2.2 Cenário Atual No século XXI, a energia eólica já está presente no mundo todo e está despontando como uma das principais fontes alternativas de energia. Sendo de grande relevância na redução das emissões de gases poluentes que causam o efeito estufa. O crescimento da energia eólica nesse século é bastante expressivo, a potência de energia eólica instalada no mundo em 2001 era de 23,9 GW e em 2017 esse número chegou perto de 540 GW de potência instalada, um aumento de 2.260% em 17 anos. A expectativa é que em 4 anos, no ano de 2021, a potência de energia eólica instalada atinja a marca de 800 GW [14]. Figura 2.3: Potência eólica instalada no mundo. [14] Atualmente, o maior produtor de energia eólica é a China com 188 GW, seguida pelos Estados Unidos que possui 89 GW de potência instalada. O Brasil se encontra 9

23 na 8 a posição no ranking dos países produtores de energia eólica, com 12,7 GW [14]. O Brasil apesar de ser conhecido pela sua riqueza em recursos hídricos, com o crescimento econômico, aumento da demanda de eletricidade no país e as mudanças climáticas, a dependência histórica em energia hidrelétrica torna-se cada vez mais desafiadora, levando o governo a diversificar sua matriz de energia elétrica. Graças ao Programa de Incentivo às Fontes de Energia Elétrica Alternativas (PROINFA), um programa governamental destinado a encorajar o uso de energias alternativas, a produção de energia eólica no Brasil tem aumentado. Nos gráficos das Figuras 2.4 e 2.5 é possível observar esse processo de diversificação, com a redução da geração hidraúlica de 76,9% em 2009, para 65,2% em 2017 [15]. Figura 2.4: Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte [15] 10

24 Figura 2.5: Oferta Interna de Energia Elétrica por Fonte [2] Dado ao extraordinário potencial eólico nacional, os custos cada vez mais competitivos e a complementaridade entre os períodos de chuvas e de ventos em algumas áreas, a energia eólica se tornou uma fonte alternativa de energia atraente. No gráfico da Figura 2.6 é possível verificar tal complementariedade. No período de baixa vazão do Rio São Francisco de maio a novembro os ventos no litoral do nordeste atingem suas maiores velocidades [16]. Figura 2.6: Complementaridade entre a geração hidrelétrica e eólica. [17] 11

25 De acordo com um estudo do subprojeto Energias Renováveis do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia para Mudanças Climáticas (INCT-Clima), o Brasil possui um grande potencial eólica de 880 GW [18]. No entanto, conforme divulgado pelo Global Wind Energy Council (GWEC), o Brasil possui apenas 12,7 GW de potência eólica instalada, utilizando assim, apenas 1,5% do seu potencial [14]. Ao longo desse início de século XXI, a energia eólica vem crescendo rapidamente no cenário brasileiro e se tornando uma energia renovável cada vez mais relevante na matriz energética brasileira. Nos últimos 10 anos, a capacidade instalada aumentou 52 vezes, como é mostrado no gráfico da Figura 2.7. A capacidade instalada no Brasil passou de 247 MW em 2007 para MW em Figura 2.7: Potência eólica instalada no Brasil. Elaboração Própria. 12

26 Capítulo 3 Revisão Técnica Tratando-se de um dimensionamento de um aerogerador, é importante revisarmos a história da energia eólica, suas aplicações, princípios de funcionamento, principais componentes e classificação dos aerogeradores. 3.1 Classes de geração de energia elétrica Apesar da Resolução Normativa 482 não ser adequada para este projeto, é importante comentar sua aplicabilidade como forma de reforçar a negação de sua aplicação e fazer uso apenas de suas terminologias de classificações dos aproveitamentos energéticos. Sendo assim, de modo geral, a pessoa física e jurídica comuns são habilitados a possuir até 5 MW (megawatts) de potência instalada, de modo que se restringe às associações geradoras a tarefa de gerar potências superiores a tal montante, sejam elas vinculadas ou não a concessionárias ou distribuidoras. Nesse contexto, define-se microgeração de energia um sistema gerador de até 75 kw em potência instalada. A minigeração assume potência instalada da faixa de 75 kw a 5 MW, exceto para fontes hídricas, para as quais o máximo gerado é de 3 MW, como segue a norma a seguir, constituinte do Artigo 2 o da Resolução Normativa N o 687, de 24 de Novembro de 2015 (ANEEL, 2015) [19], que altera a Resolução Normativa N o 482, de 17 de Abril de 2012 (ANEEL, 2012) [5]: [...] I - microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kw e que utilize cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras; II - minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 75 kw e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou 13

27 menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou para as demais fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras; [...] 3.2 Princípio de Funcionamento A energia eólica, também conhecida como energia dos ventos, consiste na energia cinética existente no deslocamento de massas de ar. Tal deslocamento é produzido pelas diferenças na pressão atmosférica, isto é, o sol ao transferir maior energia para as regiões em que seus raios são perpendiculares promove uma maior temperatura no trópico do Equador em relação aos polos. Esse maior aquecimento no Equador promove o deslocamento das massas de ar mais frias dos polos para o Equador, gerando assim o vento. O vento é influenciado por diversos aspectos naturais como latitude, altitude, características topográficas e rugosidade do solo. A vegetação e o relevo, por exemplo, podem diminuir ou aumentar a velocidade do vento e criar turbulência ao redor dele. Desta forma, percebe-se que a velocidade do vento é extremamente sensível a diversos fatores e como a geração de energia eólica é proporcional ao cubo da velocidade do vento, para a instalação de uma turbina eólica é de extrema importância a realização de um estudo do vento no local. A transformação da energia eólica em energia elétrica ocorre através da conversão da energia cinética contida nas massas de ar atmosférico em energia elétrica com o auxílio dos aerogeradores. Os aerogeradores, ou turbinas eólicas, são compostos por pás que estão acopladas a um eixo central. A força do vento faz com que as pás girem, fazendo o eixo do gerador girar, desse modo a energia cinética do vento é transformada em energia mecânica. Esta é depois convertida em eletricidade num gerador ligado ao eixo do rotor, onde estão inseridas as pás. Esta energia elétrica, por sua vez, é enviada por cabos que descem pelo interior da torre e se conectam a uma rede elétrica ou a um banco de baterias no caso de sistemas autônomos. 14

28 Figura 3.1: Funcionamento de um aerogerador de eixo horizontal. [20] 3.3 Componentes do Gerador Eólico Os aerogeradores são constituídos por: pás, rotor, caixa de engrenagens, gerador elétrico, torre de suporte, sistema de freios e sensor de direção. As pás são os componentes dos aerogeradores responsáveis pela captação da energia eólica e conversão em energia rotacional. Possuem, na maioria das vezes, formato de asa de avião e podem chegar a medir mais de 30 metros. Devem ser resistentes, leves e possuir um bom rendimento aerodinâmico. O rotor, ao qual estão acopladas as hélices ou pás, é responsável por acionar o gerador elétrico, através da transferência de energia mecânica para o gerador. O eixo do rotor pode ser conectado diretamente ao eixo do gerador elétrico ou por meio de uma caixa de engrenagens. 15

29 A caixa de engrenagens é responsável por aumentar a velocidade de rotação do gerador elétrico, já que a baixa rotação das pás é insuficiente para acionar o gerador elétrico. A utilização das caixas de engrenagens, no entanto é dispensável em algumas unidades de aerogeradores, onde o eixo do rotor é, então, ligado diretamente ao gerador elétrico. Neste caso, é utilizado um gerador elétrico com elevado número de polos. O gerador elétrico por sua vez, é o componente responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica. A torre de suporte possui entre 50 a 80 metros de altura e é responsável por elevar a turbina a alturas onde as velocidades dos ventos são mais adequadas a geração. O sistema de freio junto ao eixo principal, tem a função de controlar a velocidade de movimento das pás. Em tempo de tempestade, o sistema de freio é normalmente acionado, impedindo que as hélices girem a velocidades superiores às adequadas. Além dos componentes principais, os aerogeradores são compostos por um sensor de direção que tem a funcionalidade de girar as hélices no sentido de apanhar o vento pela frente e obter o máximo aproveitamento. 3.4 Tipos de Turbinas Eólicas As turbinas eólicas fabricadas atualmente, são classificadas quanto a sua capacidade de geração elétrica e quanto à orientação do eixo do rotor em relação ao solo. As turbinas denominadas de pequeno porte possuem capacidade de produzir potência na ordem de dezenas de kw, chegando a produzir até 50 kw e são utilizadas em áreas rurais. As turbinas de médio porte são aquelas turbinas capazes de gerar potência entre 50 kw e 1000 kw e normalmente são aplicadas em geração distribuída e sistemas híbridos. As turbinas denominadas de grande porte produzem potência acima de 1000 kw e são utilizadas por usinas eólicas e na maioria das vezes estão conectadas nas redes elétricas. Quanto a orientação do eixo do rotor em relação ao solo, as turbinas são classificadas em: 1. Turbinas de Rotores de Eixo Vertical: são utilizadas em áreas urbanas, pois possuem um melhor comportamento em ventos turbulentos e emitem poucos ruídos em comparação às turbinas eólicas de eixo horizontal. Suas torres de sustentação são baixas, fazendo com que essas turbinas operem com ventos de baixa velocidade. Essa baixa estatura permite a instalação dos 16

30 dispositivos de conversão de energia em alturas mais acessíveis, facilitando a manutenção desses. No entanto, não são muito eficientes se comparadas às de eixo horizontal na área rural, diante disso, esse modelo é mais utilizado em pequenos projetos e em instalações de pequenas potências.essas turbinas, no entanto, possuem uma vantagem em relação as de eixo horizontal pois não necessitam de sensor de direção, reduzindo a complexidade do projeto. Os principais tipos de turbinas com eixo vertical são Darrieus, Savonius e Darrieus-Savonius. Turbinas de Eixo Vertical Darrieus: esse modelo de turbina de eixo vertical foi desenvolvido pelo engenheiro francês Georges J. M. Darrieus, em 1931 [21]. Esse tipo de turbina é movido por força de sustentação, possuindo uma grande eficiência em relação aos demais. Além disso, possui torque de partida baixo, exigindo geralmente alguma fonte de alimentação externa, ou um rotor Savonius adicional. Figura 3.2: Turbina Darrieus. [21] Turbinas de Eixo Vertical Savonius: foram desenvolvidas em 1922 na Finlândia pelo engenheiro S. J. Savonius e são constituídas de pás com superfícies curvas dispostas lado a lado de forma que o vento possa passar entre elas [22].Esse modelo de turbina utiliza a força de arrasto e depende de uma velocidade mais baixa que as demais turbinas para começar a girar. Com isso, possui baixo rendimento, podendo chegar a cerca de 15% de eficiência. Devido à baixa eficiência, a turbina de Savonius não é adequada para a geração de energia elétrica. Porém, como possuem alto torque de partida e baixa rotação, são bastante utilizadas em aplicações como bombeamento de água e moagem de grãos. 17

31 Figura 3.3: Turbina Savonius. [23] Turbinas de Eixo Vertical Darrieus-Savonius: Os modelos anteriormente citados podem ser utilizados juntos, onde os sistemas Darrieus e Savonius são acoplados ao mesmo eixo. Desse modo, a turbina Savonius é utilizada para dar o arranque à turbina Darrieus e esta é utilizada para gerar mais potência, utilizando as vantagens de cada um dos tipos de turbina. Figura 3.4: Configurações da Darrieus-Savonius. [24] 2. Turbinas de Rotores de Eixo Horizontal: são as mais conhecidas e utilizadas na geração de energia elétrica ao redor do mundo. Apesar de terem um custo mais elevado que os de eixo vertical, apresentam uma maior eficiência e rendimento. Ao contrário das turbinas de eixo vertical, esse modelo necessita do sensor de direção para mantê-lo de frente para o vento, obtendo o máximo de energia eólica. Suas torres de suporte devem possuir cerca de 100 metros de altura. As turbinas eólicas de eixo horizontal são predominantemente movidas por força de sustentação [25]. Por possuírem baixo torque de partida só operam com velocidades elevadas de ventos. 18

32 Figura 3.5: Turbina Horizontal. [26] Aerogeradores de Pequeno Porte As turbinas de pequeno porte que serão utilizadas no dimensionamento, podem ser classificadas de acordo com a ANEEL, em micro e minigeradores eólicos, que são sistemas de geração elétrica a partir da força dos ventos com potência suficiente para produzir eletricidade para o abastecimento de pequenos consumidores, como casas e comércios. Segundo a Resolução Normativa REN , os microgeradores são sistemas com potência igual ou de até 75 kw e, minigeradores, acima de 75 kw e até 5 MW. A maioria das turbinas de pequeno porte são de eixo horizontal, no entanto as turbinas de eixo vertical estão ganhando força no mercado de pequeno porte. As turbinas de pequeno porte são, em geral, trifásicas e geram em corrente alternada. Necessitam normalmente de uma velocidade mínima de vento de 4 m/s. Dentre os fabricantes de turbinas de eixo horizontal de pequeno porte, estão Southwest Windpower, Superwind, Fortis Windenergy, Ampair Microwind, Aircon, Bergey Windpower Co, Aerofortis e Enersud. A turbina Skystream 3.7 do fabricante Southwest Windpower é capaz de gerar até 2,4 kw a 13 m/s, e a turbina Superwind 350 do fabricante Superwind é capaz de gerar 350 W a 12,5 m/s. 19

33 Figura 3.6: Turbinas Skystream, Superwind 350 e Whisper 500.[27] [28] Em relação aos fabricantes de turbinas de eixo vertical, pode-se citar a WePower, Aeolos Wind Energy, Urban Green Energy, Mariah Power, Helix Wind, Windside, Ropatec, Four Seasons Windpower, Hi-VAWT Technology, Ningbo Solar Co., Green Technology Co., Bayat Energy, Bjerga Engineering e Enersud. Na Figura 3.7 são apresentados três exemplos de turbinas de eixo vertical de pequeno porte. Figura 3.7: Turbinas VAWT 300W, WS-0,15 B e Falcon 600W.[29] [30] [31] 20

34 Capítulo 4 Revisão Teórica Complementando a revisão histórica e técnica apresentadas, segue neste capítulo uma revisão teórica para melhor compreensão do funcionamento dos aerogeradores. 4.1 Potência do Vento A energia cinética de uma massa de ar m em movimento a uma velocidade v, pode ser obtida através da expressão: E = 1 2 mv2 (4.1) A potência é então obtida pela deriva da energia em relação ao tempo para uma velocidade constante: Onde, ṁ é o fluxo da massa de ar (kg/s) e é igual a: P = de dt = 1 2ṁv2 (4.2) ṁ = ρva (4.3) Através da combinação das equações supracitadas, é possível obter a expressão que descreve a potência disponível no vento que passa pela seção A: P = 1 2 ρav3 (4.4) Nota-se a partir da Equação 4.4 que a velocidade influencia significativamente 21

35 na potência disponível. Além disso, quanto maior a dimensão das pás, maior a área varrida por elas, isto é, maior a variável A, e consequentemente maior a potência disponível no vento. A área varrida pelas pás varia de acordo com o modelo da turbina, isto é, varia conforme a disposição das pás nos eixos da turbina. Nas turbinas de eixo horizontal a área varrida é obtida pela área de uma circunferência, em que o raio é representado pelo comprimento das pás. Já nas turbinas de Darrieus de pás retas, por exemplo, a área varrida é obtida pela altura das pás e o diâmetro da turbina. 4.2 Potência Aproveitável A potência disponível no vento, porém não pode ser completamente aproveitada pela turbina eólica na conversão de energia elétrica. Com isso, devemos introduzir na Equação 4.4 o índice Cp, que é definido como a fração da potência eólica disponível que é extraída pelas pás do rotor. Caso toda potência disponível do vento pudesse ser extraída pelas pás do rotor, a velocidade do vento seria igual a zero na saída da turbina, isto é, a turbina agiria como uma barreira. Por outro lado, se a velocidade de saída da turbina fosse a mesma velocidade do vento incidente na turbina, a potência extraída do vento seria nula. Logo, para se obter uma potência máxima extraída é preciso encontrar uma velocidade entre as velocidades extremas expostas acima. O físico alemão Abert Betz chegou a uma velocidade ótima que possibilita a extração máxima de potência constatada por ele igual a 59% da potência disponível no vento. Esse limite, no entanto, é teórico, na prática as turbinas operam abaixo desse limite, o coeficiente das turbinas com melhor desempenho no mercado está entre 0,35 e 0,45. No gráfico da Figura 4.1 é possível observar o comportamento dos coeficientes de potência em alguns tipos de turbinas eólicas. Além disso, nota-se que o coeficiente de potência varia em função da velocidade específica (λ), que corresponde a razão entre a velocidade da ponta da pá e a velocidade do vento. 22

36 Figura 4.1: Relação entre coeficiente de potência e razão de velocidades [32] Então a potência mecânica extraída do vento pelo aerogerador é definida pela expressão: P mec = 1 2 ρav3 c p (4.5) Após captação da energia cinética do vento e transformação em energia mecânica de rotação, a potência mecânica deve ser convertida em potência elétrica pelo gerador elétrico. Assim, a potência elétrica varia em função de diversas variáveis como condições do vento, tamanho das pás, rendimento do aerogerador, rendimento do gerador e por fim rendimento da caixa de engrenagens. Com isso, a potência elétrica é determinada pela expressão: P e = 1 2 ρav3 c p η g η m (4.6) Para um maior aproveitamento do recurso eólico é importante que a velocidade do rotor da turbina varie de acordo com a velocidade do vento e é necessário que o gerador elétrico seja compatível com as condições de vento da região. 23

37 4.3 Velocidade Específica A velocidade específica citada na seção anterior trata de um parâmetro importante no estudo de turbinas eólicas. Como foi visto, a velocidade específica, λ, é a razão entre a velocidade da ponta da pá, V u, e a velocidade do vento, V. λ = V u V (4.7) Por sua vez, a velocidade da ponta da pá, V u, é definida pelo produto da velocidade angular da turbina, ω, e o raio da turbina, R. V u = ωr (4.8) Como a velocidade angular, ω, trata-se da razão entre o deslocamento angular pelo intervalo de tempo do movimento, nota-se que turbinas eólicas de grande porte apresentam baixa velocidade angular ao contrário das turbinas de pequeno porte que possuem alta velocidade angular. Assim, turbinas com potência na ordem de kw chegam a velocidades perto de 180 rpm e turbinas na ordem de MW alcançam velocidades de cerca de 20 rpm [33]. 4.4 Solidez do Rotor Outro parâmetro importante no estudo de turbinas eólicas é a solidez do rotor, que é definida como a razão entre a área total das pás do rotor da turbina e a área varrida pelas pás. Ω = S.N A (4.9) Onde S é a área da superfície das pás e rotor, N é o número de pás e A é a área varrida pelas pás. Sendo assim, quanto maior for a área das pás e do rotor, ou menor for a área varrida pelas pás, maior será a solidez da turbina. Dessa forma, as turbinas de alta solidez apresentam alto coeficiente de potência a baixas velocidades de rotação, enquanto que nas turbinas de baixa solidez ocorre o contrário [33]. A solidez possui então uma relação inversa com a velocidade específica, λ, como pode ser no gráfico na Figura 4.2. Normalmente as turbinas de alta solidez são empregadas para bombeamento de água e as turbinas de baixa solidez são utilizadas para geração de 24

38 eletricidade. Figura 4.2: Relação entre a solidez e a velocidade específica [34] 4.5 Fator de Capacidade Para se avaliar o potencial eólico de uma região, utiliza-se o fator de capacidade, que pode ser interpretado como o percentual de aproveitamento, efetivo ou estimado, do total da potência máxima instalada. Sendo assim, seu cálculo depende das características do aerogerador instalado e das características do local. Alguns estados do Brasil, como Ceará e Rio Grande do Norte, apresentam um fator de capacidade eólico entre 40% e 45%, o que é considerado um ótimo resultado, uma vez que, estudos sobre o potencial eólico mostram que a média mundial do fator 25

39 de capacidade é de 27% [35]. O fator de capacidade é diretamente influenciado por condições naturais, como o perfil de velocidade do vento e a turbulência do local. Para se obter um fator de capacidade bom, a turbulência deve ser baixa, possibilitando a instalação de turbinas maiores com maior potência de geração. Outras condições favoráveis podem ser atingidas e aumentar o fator de capacidade médio, como a otimização da curva de potência da turbina. Essa prática faria a turbina operar por mais tempo em potência ótima, isso significaria produzir energia por mais tempo, com menor estresse estrutural no equipamento e redução de manutenção. O fator de capacidade (FC) de um determinado local é definido como a razão entre a energia produzida (ou estimada) durante um ano, e a energia que seria produzida caso o aerogerador operasse em sua potência nominal durante 100% do tempo. O FC pode ser escrito como: F C = E elétrica P nominal.t (4.10) Onde: P nominal = potência nominal do aerogerador(watts); T = período de análise em horas =8760 horas em um ano. 4.6 Curva de Potência As curvas de potência das turbinas eólicas correspondem a um gráfico que indica a potência gerada para cada velocidade de vento que o aerogerador é submetido[36]. Sendo possível, prever a produção de energia de uma turbina eólica sem considerar os detalhes técnicos de seus vários componentes. A Figura 4.3 apresenta um exemplo de curva de potência construída para dos geradores eólicos. 26

40 Figura 4.3: Curvas de potência para dois geradores eólicos [36] A curva de potência aponta três pontos importantes para análise do desempenho da turbina: a velocidade de entrada, a velocidade nominal e a velocidade de corte. Velocidade de entrada (Ve): a velocidade do vento em que a turbina começa a gerar energia Velocidade nominal (Vn): a velocidade do vento em que a turbina eólica atinge sua energia nominal. Isso, muitas vezes, significa a sua potência máxima Velocidade de corte superior (Vc): a velocidade do vento em que a turbina eólica desliga para evitar que a potência do gerador trabalhe em níveis prejudiciais. Nessa velocidade os controladores de inclinação reclinam as lâminas para permitir que o vento passe por elas e o cubo do rotor é freado. 27

41 Figura 4.4: Diagrama típico da curva de potência de um gerador eólico Elaboração Própria. 4.7 Distribuição de Weibull A distribuição de Weibull é um modelo matemático que através de um fator de forma do vento e de uma média característica de velocidade descreve o provável comportamento do vento ao longo do ano. Para os ventos, caracteriza-se como uma distribuição de probabilidade de diferentes velocidades ocorrerem [37]. Após a medição dos dados eólicos de uma região, calcula-se a média da velocidade do vento e também um fator sobre o comportamento deste ao longo do tempo. A técnica em questão associa uma fórmula matemática que aproxima toda a curva, bastando estar de posse desses dois valores. Ela leva em consideração o desvio padrão das medidas coletadas em campo, sendo dessa forma, um parâmetro estatístico. A fórmula utilizada para a criação das curvas de probabilidades de velocidade do vento num certo local resulta em diferentes formatos de curva. A equação que a distribuição de Weibull obedece possui dois valores coletados em campo, sendo estes o fator k (fator de forma do vento) e a velocidade C (velocidade média do vento) e dois valores que são interdependentes, sendo estes, a velocidade do vento e a frequência com que este ocorre [37]. F req(v ) = K C ( ) [ k 1 ( ) ] 1 V V exp C C (4.11) 28

42 Onde: V velocidade do vento; Freq(V) frequência que uma determinada velocidade aparece; C velocidade média do vento; k fator de forma do vento. Com a obtenção da frequência em que a velocidade do vento ocorre em um dado período, por meio dos dados das curvas de potência dos aerogeradores, pode-se estimar a geração de energia elétrica de uma determinada máquina gera ao longo do ano, ou de uma estação do ano, por exemplo. 4.8 Aplicação dos Sistemas Elétricos Existem três aplicações distintas onde os sistemas eólicos podem ser utilizados: sistemas independentes ou isolados, sistemas híbridos e sistemas interligados à rede elétrica Sistemas Isolados Os sistemas isolados são caracterizados por possuírem um gerador eólico que não está conectado à rede elétrica, sendo este gerador o único responsável pelo fornecimento de energia elétrica. Este tipo de sistema na maioria das vezes utiliza geradores de pequeno porte, com a capacidade de geração de até 80 kw [25]. Esses sistemas utilizam alguma forma de armazenamento de energia, como a utilização de baterias, que tem a responsabilidade de armazenar a energia nos momentos em que a potência gerada é maior que a potência necessária para o consumo. Dessa forma, em situações que não for possível produzir tanta energia, as baterias irão suprir a potência necessária para consumo. Como a produção eólica de energia é irregular, é sugerido para esses sistemas o uso de baterias de ciclo profundo, que são capazes de fornecer energia por mais tempo e conseguem suportar vários ciclos de descarga sem sofrer danos. Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e descarga da bateria, evitando danos à bateria por sobrecarga ou descarga profunda. Além dos controladores de carga, é necessário no sistema um inversor, que 29

43 tem a função de converter a corrente continua das baterias em corrente alternada, para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada. Figura 4.5: Diagrama de aerogerador em função da carga utilizada. [10] Sistemas Híbridos Os sistemas híbridos são definidos como aqueles que embora desconectados da rede convencional, apresentam várias fontes de geração de energia, isto é, além de possuírem o gerador eólico, esses sistemas operam em conjunto com geradores a diesel ou módulos fotovoltaicos, entre outros. A utilização de várias formas de geração de energia elétrica aumenta a complexidade do sistema e exige a otimização do uso de cada uma das fontes. Sendo necessário realizar um controle de todas as fontes para que haja máxima eficiência na entrega da energia para os consumidores. Assim como no sistema isolado, esse sistema necessita da utilização de baterias para armazenamento da energia. Sendo necessária a utilização de um controlador de carga e inversores. Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio a grande porte destinados a atender um número maior de usuários. 30

44 Figura 4.6: Exemplo de sistema híbrido [38] Sistemas Ligados à Rede Nos sistemas conectados à rede elétrica não se faz necessária a utilização de baterias. Estes sistemas são compostos por: Aerogerador a turbina eólica que gera energia elétrica a partir do vento; Sistema de controle sistema composto por retificador e conversor CC-CC para a extração da máxima potência disponível e do inversor para a conexão apropriada à rede elétrica. A Figura 4.7 apresenta uma residência com uma turbina eólica que está conectada à rede elétrica. Neste sistema, o aerogerador gera energia elétrica e alimenta as cargas da residência. Quando a energia gerada é insuficiente, a rede elétrica complementa a geração. No momento em que a energia gerada pela turbina eólica é superior à demanda da residência, o excedente é injetado na rede elétrica. Figura 4.7: Configuração de sistema conectado a rede elétrica. [39] 31

45 Capítulo 5 Dimensionamento e Especificações O dimensionamento do aerogerador leva em consideração as condições locais de relevo e estruturas não naturais, como construções e outras instalações, bem como as condições geográficas, clima, índices de vento, ocorrências de problemas climáticos destrutivos e outros de natureza semelhante. Tratando-se de produção de energia complementar e emergencial, o conhecimento da carga a ser suprida e a qualidade do fornecimento de energia pela concessionária local é fundamental, principalmente os índices de falhas, a capacidade de carga, a possibilidade prática de conexão entre a geração distribuída e a rede, bem como a qualidade da energia disponibilizada. Todos estes aspectos são tratados neste capítulo, acompanhados do estudo analítico do potencial eólico, para determinar o dimensionamento e as especificações do aerogerador que cumpre o objetivo do projeto. 5.1 Condições Locais O Brasil possui diversas regiões bastantes atrativas para a instalação de aerogerador, conforme podemos observar no mapa eólico do território nacional na Figura 5.1. Sendo as regiões Nordeste, Sul e Sudeste com melhores condições eólicas. 32

46 Figura 5.1: Potencial Eólico Brasileiro [40] Dentre as regiões propicias para a instalação de aerogeradores, a região Leste Fluminense do Estado do Rio de Janeiro foi escolhida para o desenvolvimento deste trabalho por ter excelente potencial eólico e baixa qualidade no fornecimento de energia elétrica pela concessionária, atendendo adequadamente aos objetivos de exemplificar e auxiliar em estudos de aplicação de geração eólica de pequeno porte, como foi justificado inicialmente. Conforme mapa eólico do Estado do Rio de Janeiro [41] apresentado na Figura 5.2 e com mais detalhes na Figura 5.3, a região escolhida para realização do projeto possui um grande potencial eólico devido aos ventos de velocidade média anual entre 7 e 7,5 m/s ideal para instalação de aerogeradores. 33

47 Figura 5.2: Mapa Eólico do Estado do Rio de Janeiro. [41] Figura 5.3: Mapa Eólico da Região dos Lagos. [41] A despeito do excelente potencial eólico, a região Leste Fluminense apresenta 34

48 baixa qualidade no fornecimento de energia elétrica, promovendo a interrupção de energia em diversas cidades ao longo do ano, conforme Figura 5.4 e 5.5. No ano de 2016, o DEC, indicador de Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora, foi igual a 27,12 horas e o FEC, indicador de Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora, foi igual a 14,78 vezes no ano, aquém do exigido pela ANEEL, cujos limites de DEC e FEC são respectivamente 13 e 7. Os dados desses indicadores por cidade da região podem ser observados na Tabela 5.1. Os indicadores DEC e FEC são denominados indicadores de conjunto e são utilizados na medição do desempenho das empresas de distribuição quanto à continuidade do serviço prestado de energia elétrica. O DEC (Duração Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) indica o número de horas em média que um consumidor fica sem energia elétrica durante um período, geralmente mensal. Já o FEC (Frequência Equivalente de Interrupção por Unidade Consumidora) indica quantas vezes, em média, houve interrupção na unidade consumidora (residência, comércio, indústria etc). Figura 5.4: Duração das interrupções na Região Leste Fluminense. [42] 35

49 Figura 5.5: Frequência das interrupções na Região Leste Fluminense. [42] Tabela 5.1: Duração e frequência das interrupções por municípios (DEC e FEC)[42] Região Município DEC FEC Leste Niterói 16,83 9,82 Leste São Gonçalo 17,96 10,69 Leste Itaboraí 19,42 11,44 Leste Armação dos Búzios 20,82 12,19 Leste Tanguá 22,20 12,26 Leste Arraial do Cabo 22,67 16,70 Leste Maricá 25,08 12,77 Leste Rio das Ostras 25,72 12,89 Leste São Pedro da Aldeia 26,18 16,04 Leste Iguaba Grande 29,38 16,16 Leste Cabo Frio 29,81 16,62 Leste Araruama 29,82 17,15 Leste Saquarema 32,61 18,40 Leste Casimiro de Abreu 35,26 16,69 Leste Rio Bonito 36,00 17,02 Leste Silva Jardim 44,10 19,65 O dimensionamento a ser realizado nesse trabalho visa suprir as necessidades da pousada frente aos problemas de confiabilidade no fornecimento de energia elétrica da região, utilizando as condições favoráveis do local em energia eólica, limpa e 36

50 renovável. 5.2 Levantamento de informações eólicas A avaliação do potencial eólico de determinada região deve ser realizada diante de observações diárias da velocidade do vento. Para realização deste trabalho, foram utilizados os dados do vento da estação meteorológica do aeroporto da cidade de Cabo Frio, Região dos Lagos do Rio de Janeiro, disponibilizado pelo WINDFINDER [43]. Esses dados foram medidos a altura de 10 metros em relação ao solo. O gráfico da Figura 5.6 apresenta as médias mensais de velocidades dos ventos em 10 metros de altura observado na região. Figura 5.6: Média Mensal de Ventos Médios. Elaboração Própria [43] 5.3 Análise de informações e tratamento matemático Os dados registrados no gráfico da Figura 5.6 foram compilados para a Tabela 5.2. Para a utilização das informações registradas é necessário se considerar um perfil de distribuição dos ventos, a fim de analisar o perfil de geração possível de ser obtido. Sendo assim, foi utilizado a Distribuição de Weibull, descrita no Capítulo 4, que é amplamente utilizada no estudo das velocidades de vento. A partir dos dados obtidos e do mapa eólico do rio de janeiro foi possível traçar 37

51 o perfil de distribuição dos ventos da região e obter o gráfico da Figura 5.7. Tabela 5.2: Média Mensal de Ventos Médios Mês Média Mensal de Ventos Médios (m/s) Janeiro 6,17 Fevereiro 6,17 Março 5,14 Abril 4,63 Maio 7,20 Junho 4,63 Julho 5,14 Agosto 5,66 Setembro 6,69 Outubro 6,17 Novembro 5,66 Dezembro 6,17 Figura 5.7: Distribuição de Weibull. Elaboração Própria 38

52 5.4 Informações Geográficas Além de informações a respeito das velocidades do vento no decorrer do ano, é necessário definir as informações sobre o terreno onde se deseja instalar o aerogerador em questão. O local determinado é uma área de campo aberto, o que favorece a instalação do aerogerador no local, como se verifica nas Figuras 5.8 e 5.9. Figura 5.8: Localização da Pousada. [44] Figura 5.9: Localização da Pousada. [44] 39

53 No mapa topográfico da região apresentado na Figura 5.10 é possível verificar que a pousada fica a uma altitude de 64m e é cercada por áreas de menor altitude o que beneficia na incidência de ventos. Figura 5.10: Mapa Topográfico da Cidade de Arraial do Cabo. [45] Na Figura 5.11 é apresentado o local designado para instalação do aerogerador. 40

54 Figura 5.11: Local Designado para Instalação do Aerogerador. [44] 5.5 Consumo de Energia Elétrica A pousada localizada na cidade de Arraial do Cabo, possui 6 suítes (quarto e banheiro), cozinha, sala de jantar, recepção, garagem, lavanderia e área externa. Para analisar o consumo de energia elétrica do estabelecimento é necessário levantar as cargas instaladas, como descrito na Tabela

55 Tabela 5.3: Lista de Cargas da Pousada Ambiente Descrição Consumo Carga Potência Uso Mensal Utilizada (W) Diário (KWh/mês) Recepção Telefone ,2 Recepção Iluminação Recepção Televisão LED ,8 Recepção Ar Condicionado Recepção Desktop Dormitórios Ar Condicionado Dormitórios Televisão LED ,6 Dormitórios Iluminação ,4 Dormitórios Frigobar ,2 Banheiro Iluminação Banheiro Chuveiro Elétrico ,7 440 Lavanderia Máquina de Lavar Lavanderia Ferro de passar ,8 25 Lavanderia Iluminação ,6 Cozinha Geladeira ,2 Cozinha Freezer Cozinha Exaustor ,6 Cozinha Lava Louça ,7 28 Cozinha Cafeteira ,3 6 Cozinha Liquidificador Cozinha Microondas Cozinha Iluminação ,2 Garagem Iluminação ,4 Área Externa Bomba de água ,5 Área Externa Cortador de Grama Área Externa Luminária ,2 Sendo assim, o consumo mensal estimado da pousada é igual a 2.338,9 kwh/mês. Nas Tabelas 5.4, 5.5, 5.6 e 5.7 e no gráfico da Figura 5.12 pode ser observada a distribuição desse consumo de energia ao longo do dia. 42

56 Tabela 5.4: Distribuição do Consumo de Energia diário (1/4) Horário Potência Tipo de Carga Quantidade de Funcionamento (W) Telefone :00 a 01:00 Ar Condicionado Frigobar 4 90 Geladeira :00 a 02:00 Telefone 1 10 Ar Condicionado :00 a 03:00 Telefone 1 10 Ar Condicionado :00 a 04:00 Telefone 1 10 Ar Condicionado :00 a 05:00 Telefone :00 a 06:00 Telefone 1 10 Telefone :00 a 07:00 Frigobar 4 90 Geladeira Telefone 1 10 Liquidificador :00 a 08:00 Microondas Bomba de água Cortador de Grama Cafeteira Telefone :00 a 09:00 Liquidificador Microondas :00 a 10:00 Telefone 1 10 Máquina de Lavar Telefone 1 10 Frigobar :00 a 11:00 Geladeira Lava Louça Máquina de Lavar

57 Tabela 5.5: Distribuição do Consumo de Energia diário (2/4) Horário de Funcionamento 11:00 a 12:00 12:00 a 13:00 13:00 a 14:00 14:00 a 15:00 15:00 a 16:00 16:00 a 17:00 17:00 a 18:00 Tipo de Carga Quantidade Potência (W) Telefone 1 10 Televisão LED Desktop Telefone 1 10 Televisão LED Desktop Freezer Telefone 1 10 Televisão LED Freezer Exaustor Liquidificador Microondas Telefone 1 10 Frigobar 4 90 Geladeira Exaustor Telefone 1 10 Freezer Exaustor Desktop Lava Louça Desktop Telefone 1 10 Freezer Exaustor Desktop Ferro de Passar Maquina de Lavar Telefone 1 10 Maquina de Lavar Chuveiro Elétrico Exaustor

58 Tabela 5.6: Distribuição do Consumo de Energia diário (3/4) Horário de Funcionamento 18:00 a 19:00 19:00 a 20:00 20:00 a 21:00 21:00 a 22:00 22:00 a 23:00 Tipo de Carga Quantidade Potência (W) Telefone 1 10 Frigobar Geladeira Freezer Exaustor Televisão LED Liquidificador Microondas Chuveiro Elétrico Telefone 1 10 Freezer Televisão LED Iluminação Ar Condicionado Telefone 1 10 Televisão LED Iluminação Ar Condicionado Televisão LED Telefone 1 10 Frigobar Geladeira Televisão LED Iluminação Ar Condicionado Televisão LED Telefone 1 10 Televisão LED Iluminação Ar Condicionado Televisão LED

59 Tabela 5.7: Distribuição do Consumo de Energia diário (4/4) Horário de Funcionamento 23:00 a 00:00 Tipo de Carga Quantidade Potência (W) Telefone 1 10 Televisão LED Iluminação Ar Condicionado Televisão LED Figura 5.12: Distribuição do consumo de energia diário. O objetivo se limita a garantir a melhoria do suprimento de energia à noite, pois é o período de maior demanda de energia elétrica e dos momentos em que sua falta causa maior desconforto aos hóspedes e funcionários. A energia elétrica à noite ajuda a iluminar, propicia a realização com segurança e conforto das atividades de trabalho, lazer, de higiene e saúde, além de proporcionar maior segurança. Com o intuito de suprir parcialmente a carga instalada, principalmente à noite, para garantir o fornecimento de energia em caso de falha da rede, foi necessário verificar a potência instalada de cargas utilizadas à noite e selecionar as cargas essenciais para o funcionamento da pousada. A lista dessas cargas pode ser verificada na Tabela

60 Tabela 5.8: Cargas acionadas à noite Tipo de Carga Quantidade Potência (W) Consumo Diário (Wh) Telefone Frigobar Geladeira Televisão LED Iluminação Televisão LED Total Sendo assim, o consumo diário noturno estimado da pousada é igual a Wh. Na Tabela 5.9 consta um resumo das informações da pousada como potência instalada, consumo mensal estimado e custo estimado da energia consumida [46] que serão utilizados posteriormente. Tabela 5.9: Resumo do Consumo de Energia Elétrica da Pousada Potencia Total Consumo Consumo Custo Tarifa Instalada Mensal Anual Estimado (R$/kWh) (W) (kwh/mês) (kwh/ano) Mensal , ,80 R$0,62 R$1.456, Análise de Aerogeradores de Porte Doméstico Cada aerogerador possui suas particularidades, seja no formato, estilo de eixo, melhor local para instalação, desempenho segundo o regime de ventos, dentre outros. Nesse contexto, é importante verificar qual o desempenho, em termos econômicos, do aerogerador. Assim sendo, alguns aerogeradores produzidos por uma empresa brasileira chamada Enersud foram analisados, os quais possuem seus dados, na íntegra, presentes no ANEXO A Folder comercial de Aerogeradores da Enersud. A seguir são apresentados 4 destes aerogeradores. Notus 138 Seguem alguns dados técnicos na Tabela 5.10, com a curva de potência do aerogerador sendo representada na Figura

61 Tabela 5.10: Dados Gerais aerogerador Notus 138. [47] Dados Gerais Tipo de Turbina HAWT Potência Nominal 350 W Velocidade Nominal 12,5 m/s Velocidade de Partida 2,0 m/s Figura 5.13: Curva de Potência do aerogerador Notus 138. [47] Gerar 246 Seguem alguns dados técnicos na Tabela 5.11, com a curva de potência do aerogerador sendo representada na Figura Tabela 5.11: Dados Gerais aerogerador Gerar 246. [48] Dados Gerais Tipo de Turbina HAWT Potência Nominal 1000 W Velocidade Nominal 12,5 m/s Velocidade de Partida 2,0 m/s 48

62 Figura 5.14: Curva de Potência do aerogerador Gerar 246. [48] Razec 266 Seguem alguns dados técnicos na Tabela 5.12, com a curva de potência do aerogerador sendo representada na Figura Tabela 5.12: Dados Gerais aerogerador Razec 266. [49] Dados Gerais Tipo de Turbina VAWT Potência Nominal 1500 W Velocidade Nominal 12 m/s Velocidade de Partida 2,5 m/s 49

63 Figura 5.15: Curva de Potência do aerogerador Razec 266. [49] Verne 555 Seguem alguns dados técnicos na Tabela 5.13, com a curva de potência do aerogerador sendo representada na Figura Tabela 5.13: Dados Gerais aerogerador Verne 555. [50] Dados Gerais Tipo de Turbina HAWT Potência Nominal 6000 W Velocidade Nominal 12 m/s Velocidade de Partida 2,2 m/s 50

64 Figura 5.16: Curva de Potência do aerogerador Verne 555. [50] 5.7 Comparação entre Aerogeradores A partir dos valores fornecidos nas curvas de potência dos aerogeradores analisados, necessitou-se uma correção dos valores de kwh/mês para Watts, bastando que se faça como se segue na Equação 5.1 e Equação 5.2. Valor Watts = Valor kwh mês (5.1) Valor Watts = Valor kwh mês 0, 72 (5.2) Após correção dos valores, foram feitas simulações com aerogeradores, para a escolha do mais apropriado. Através das potências, foram calculadas a energia média gerada pelo aerogerador em um ano, dentro dos intervalos em questão, e realizou-se uma soma dos produtos de Potência por Horas Anuais, determinando-se quanto de energia os aerogeradores geram num ano de acordo às condições eólicas da região determinada. Na Tabela 5.14 é possível constatar as horas anuais de cada velocidade distribuí- 51

65 das ao longo do ano. Tabela 5.14: Distribuição das velocidades do vento em 2018 Velocidade (m/s) Horas Anuais Total 8699 Com a distribuição das velocidades ao longo do ano na cidade de Arraial do Cabo, foi possível simular a energia gerada por cada aerogerador a 12 metros de altura, conforme observado na Tabela

66 Tabela 5.15: Energia Anual Gerada por Aerogerador Aerogerador Notus Gerar Razec Verne Potencia Nominal (W) Velocidade (m/s) Energia Anual (kwh) Energia Anual (kwh) Energia Anual (kwh) Energia Anual (kwh) , ,39 96,44 113,67 640, ,70 144,29 171,06 928, ,93 167,24 204, , ,43 159,05 202, , ,99 127,45 169,35 868, ,23 89,10 122,83 632, ,08 56,19 79,01 409, ,52 31,17 45,69 238,94 Total Anual 241,27 870, , ,32 Com os resultados obteve-se dois parâmetros para a análise de comparação entre produtos: Razão de Geração na Tabela 5.16 e Fator de Capacidade (FC) na Tabela A Razão de Geração representa a quantidade de horas efetivas de geração de energia na potência nominal do gerador, sendo proporcional ao rendimento do aerogerador. O Fator de Capacidade (FC) é apenas uma divisão da Razão de Geração pela quantidade de horas em um ano (por um padrão de um ano com 365 dias de 24 horas, tal valor corresponde a 8760 horas). Tabela 5.16: Razão de Geração por Aerogerador Razão de Geração (kwh/kwinstalado) Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne ,55 870,93 776,30 974,05 53

67 Tabela 5.17: Fator de Capacidade por Aerogerador Fator de Capacidade (FC) Notus 138 Gerar 246 Razec 266 Verne 555 6% 10% 9% 11% Como todos os aerogeradores selecionados para análise possuem velocidade de partida baixa, entre 2.0 m/s e 2,5 m/s, é necessário verificar a energia produzida nas condições climáticas da região, como foi realizado na Tabela Diante dos resultados obtidos na tabela 5.15, 5.16 e 5.17 é possível verificar que apesar do vento na região não ser o ideal, com velocidade média de 5,8 m/s, o aerogerador Verne 555 é o mais adequado tecnicamente uma vez que é capaz de suprir 50% da carga acionada à noite e 25% do consumo de energia anual estimado. 5.8 Viabilidade Econômica Antes de adentrarmos a análise econômica dos aerogeradores é fundamental a informação do custo de cada equipamento. Diante disso, na Tabela 5.18 está descrito o valor do aerogerador Verne 555 e os equipamentos necessários para a instalação do mesmo. O sistema eólico da pousada será composto por um conjunto de turbinas, que irá alimentar a carga elétrica do sistema e carregar o banco de baterias nos momentos em que há sobra de energia. O banco de baterias será responsável por atender a carga nos momentos em que não há geração ou em que a velocidade do vento não é suficiente para atender a demanda de energia. Para suprir a carga noturna listada na Tabela 5.8 será necessária a instalação de 4 baterias de 120 Ah. Dessa forma, tais equipamentos foram escolhidos com a premissa de um melhor custo-benefício da instalação. Tabela 5.18: Custo dos Equipamentos Controlador de Inversor Bateria Verne Carga Xantrex GetPower 555 MPPT Xpower Ah Epever TRIRON Quantidade Valor do R$29.500,00 R$5.699,00 R$769,00 R$ 1.479,90 Equipamento 54

68 Também foram levados em consideração os custos para uma torre de 12 m, conforme Tabela 5.19 Tabela 5.19: Valores de Equipamento para instalação Kit Torre R$ 900,00 Tubo Din R$ 800,00 Outros R$ 500,00 Frete R$ 300,00 O valor de custo para o aerogerador, equipamentos, instalação e manutenção são apresentados na Tabela 5.20, onde o custo da instalação está sendo considerado em 40% dos ativos. Tabela 5.20: Custo dos Equipamentos Vida Tipo Aerogerador Equipamentos Instalação Total Útil (ano) Verne 555 R$ ,00 R$ ,60 R$ ,04 R$ ,64 20 Com as informações do valor dos equipamentos e energia gerada foi possível calcular que o custo de cada kwh gerado pelo mesmo é igual a R$ 6,98. Um fator crucial em uma análise de viabilidade é o tempo de retorno do investimento. Sendo assim, será efetuada uma análise relativa ao tempo máximo de retorno pretendido. Realizaremos o cálculo de payback, que é o período de tempo que leva para o investidor retornar o dinheiro investido em um determinado Projeto. Conforme uma limitante de 10 anos para retorno, o que corresponde a apenas 50% da vida útil do gerador (20 anos, segundo o folder presente no Anexo A). Com esse intervalo pode-se determinar o valor máximo por aerogerador. O cálculo a ser efetuado corresponde ao valor economizado com energia elétrica no período mencionado com a instalação de uma unidade do aerogerador escolhido, adotando um reajuste do valor baseado na média dos reajustes anteriores entre 2013 e 2018, segundo a página Efeito médio acumulado das tarifas Distribuidoras Grupo Enel [51], onde se determina um valor médio de 11,64% ao ano de reajuste tarifário conforme demonstrado na Tabela

69 Tabela 5.21: Evolução das revisões ou reajustes tarifários [51] Evolução das revisões ou reajustes tarifários Data do processo tarifário Média Efeito médio para consumidor 12,13% 2,64% 42,19% 7,38% -6,15% 21,04% 11,64% Tomando-se tal valor como base, e adotando-se a tarifa convencional, que corresponde à alíquota de 0,62261 R$/kWh [51], obteve-se a Tabela 5.22 com a economia gerada do aerogerador escolhido, Verne 555, ao longo dos anos. Tabela 5.22: Economia de Energia Aerogerador Verne 555 Potência Nominal (W) 6000 Economia Total em 1 ano (R$) R$3.212,36 Economia Total em 2 ano (R$) R$6.799,61 Economia Total em 3 ano (R$) R$10.805,49 Economia Total em 4 ano (R$) R$15.278,86 Economia Total em 5 ano (R$) R$20.274,27 Economia Total em 6 ano (R$) R$25.852,64 Economia Total em 7 ano (R$) R$32.082,01 Economia Total em 8 ano (R$) R$39.038,34 Economia Total em 9 ano (R$) R$46.806,48 Economia Total em 10 ano (R$) R$55.481,16 Economia Total em 11 ano (R$) R$65.168,18 Segundo os dados levantados na Tabela 5.22, a instalação do sistema eólico na pousada alcança o payback em 11 anos. Sendo assim, a instalação do aerogerador Verne 555 é viável economicamente, uma vez que seu payback corresponde a 55% da vida útil do equipamento. 56

70 Capítulo 6 Conclusão No presente trabalho foi realizada uma revisão técnica e teórica que apresentou os tipos de aerogeradores, o potencial eólico brasileiro e os fatores relevantes para realização do dimensionamento de um aerogerador para a pousada "Recanto do Mar"localizada em Arraial do Cabo. A metodologia se baseou na análise das condições de relevo, climáticas e perfil de ventos da região, para determinar qual turbina teria um desempenho aceitável para a velocidade média de 5,8 m/s. Para isso, foi simulada a quantidade de energia produzida por cada aerogerador no perfil de vento da região ao longo de um ano. Diante dessa simulação, conclui-se que é viável a instalação de aerogeradores de pequeno porte, apesar da média dos ventos entre 5 e 6 m/s ainda ser considerada baixa para a geração de energia elétrica. Dessa forma, o projeto se mostrou tecnicamente viável e capaz de entregar a energia necessária para suprir parcialmente a carga da pousada, principalmente a noite, conforme apresentado, considerando-se atingido o objetivo inicial do trabalho. Para facilidade de aquisição dos equipamentos dimensionados nesse projeto, foi escolhida uma marca nacional de turbinas que oferecia mais detalhes e passou mais confiança para a elaboração do projeto. O investimento total do empreendimento foi determinado no valor de R$ ,64, sendo estimado o retorno do mesmo em um prazo de 11 anos, para um reajuste do valor da tarifa baseado na média dos reajustes anteriores. O tempo de retorno corresponde assim a 55% da vida útil dos equipamentos, tendo em vista que o sistema eólico instalado promete durabilidade de 20 anos. A principal dificuldade encontrada neste estudo foi a definição do consumo da pousada, uma vez que esse oscila de acordo com a ocupação da mesma. Para ultra- 57

71 passar essa dificuldade estimou-se uma média de ocupação anual da pousada e com isso uma média de consumo energético. O projeto realizado neste trabalho abordou certas áreas, no entanto, seu aprofundamento através da realização de estudos mais detalhados podem ser realizados em trabalhos futuros. Como ideia para estudo posterior que deixaram de ser analisados nesse projeto, realizar o sistema de controle do ponto de operação das turbinas e o estudo dos sistemas de freio. Por fim, o trabalho se mostrou efetivo naquilo que se propôs fazer. Foi mostrada uma metodologia para o dimensionamento de aerogeradores voltados a geração de pequeno porte, aproveitando as condições climáticas favoráveis no local, bem como a energia eólica no Brasil e no mundo como um modo geral. O principal resultado do projeto, junto a necessidade de crescimento tecnológico nacional, ratificam a importância do estudo. 58

72 Referências Bibliográficas [1] NEXO. Principal fonte de energia dos países.. Disponível em: < C3%A9tricas-carv%C3%A3o-petr%C3%B3leo-como-cada-pa%C3% ADs-gera-sua-energia>. Acesso em: [2] EPE. Balanço Energético Nacional Disponível em: < publicacoes/publicacoesarquivos/publicacao-133/topico-105/ Relat%C3%B3rio%20Final% pdf>. Acesso em: [3] EPE. Balanço Energético Nacional Disponível em: < publicacoes/publicacoesarquivos/publicacao-127/topico-97/ Relat%C3%B3rio%20Final% pdf>. Acesso em: [4] EPE. Balanço Energético Nacional Disponível em: < publicacoes/publicacoesarquivos/publicacao-46/topico-82/ Relatorio_Final_BEN_2017.pdf>. Acesso em: [5] ANEEL. Resolução Normativa N o 482. Disponível em: < gov.br/cedoc/ren pdf>. Acesso em: [6] ASTRASOLAR. Geração Distribuída no Brasil Disponível em: < geracao-distribuida-no-brasil/>. Acesso em: [7] 50160, C. E. Voltage charcteristics of eletricity supplies by public distribuition networks, [8] ANEEL. Banco de Informações de Geração. Disponível em: < aneel.gov.br>. Acesso em:

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77 Apêndice A Catálogo Comercial dos Aerogeradores da Enersud 64

78 Figura A.1: Aerogerador Verne 555 da Enersud. [50] 65