TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA OUTUBRO/2014 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA OUTUBRO/2014 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA GERAÇÃO EÓLICA DE ENERGIA ELÉTRICA Luiz Felipe Brum Alexandre Fonseca Rocha Barreto André Luiz de Castro Filho Henrique V. F. de Carvalho Filho Lincoln da Costa Romaro Mauro Bonésio Neto Felipe Corrêa Matheus Henrique Müller Orientador: Prof. Dr. José Maria de Carvalho Filho Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE) Resumo O presente trabalho apresenta, de forma sucinta, os principais pontos sobre a geração de energia elétrica a partir da geração eólica. A intenção deste trabalho, é informar a respeito da matriz eólica no Brasil atualmente e uma breve comparação com a matriz eólica no resto do mundo, dar uma breve informação a respeito das tecnologias aplicadas nos aerogeradores, dos tipos de controle de potência e dos tipos de velocidade de operação. Além claro, dos impactos na qualidade da energia elétrica que este tipo de geração insere na rede elétrica e das formas de armazenamento de energia possíveis para este tipo de geração. Com o crescimento contínuo da demanda de energia elétrica no mundo são necessários investimentos em pesquisas e tecnologias em novas formas de geração, em destaque a energia eólica, fonte renovável e limpa, para que a continuidade e a qualidade da energia elétrica entregue ao consumidor sejam garantidas. Palavras-Chave: Geração Eólica, Armazenamento da Energia Eólica, Potencial de Geração Eólica, Qualidade da Energia Elétrica. I INTRODUÇÃO Embora potenciais eólicos venham sendo utilizados desde a antiguidade para aproveitamento da energia mecânica, a geração de energia elétrica a partir dos ventos teve início no final do século XIX graças à adaptação dos cata-ventos por Charles F. Bruch, um industrial americano, que ergueu na cidade de Clevand, no estado de Ohio, a primeira instalação que fornecia 12 kw em corrente contínua, capaz de alimentar 350 lâmpadas incandescentes e ficou em operação por 20 anos. Várias pesquisas em aproveitamento da energia eólica em geração de energia foram realizadas no início do século XX devido ao avanço da rede elétrica. Nesse mesmo século foi desenvolvido na Rússia o aerogerador Balaclava, capaz de fornecer 100 kw, conectado a uma usina termoelétrica por meio de uma linha de transmissão de 6,3 kv. Outros modelos com capacidade maiores (1 MW e 5 MW) foram desenvolvidos a partir do Balaclava. À época, esses projetos não tiveram continuidade devido à desvantagem frente à concorrência com outras tecnologias, em especial a de combustíveis fósseis. Porém, durante a Segunda Guerra Mundial ( ) com a necessidade de se economizar combustíveis fósseis, houve grande incentivo à pesquisa de aerogeradores de médio e grande portes. Entretanto, com o fim da guerra, os combustíveis fósseis e as usinas hidrelétricas voltaram ao destaque e os aerogeradores foram construídos apenas para fins de pesquisa. Apesar da geração de energia elétrica a partir da energia eólica não ser competitiva na maioria dos países, há que se considerar aqueles que não possuem reservas de combustíveis fósseis e tampouco grandes capacidades hidrelétricas, porém, em contrapartida possuem grande potencial eólico, dando continuidade às pesquisas e ao investimento nesse tipo de geração. Além da questão tecnológica, não menos importante nesse tipo de geração, são a avaliação do potencial existente, o cumprimento das determinações regulatórias, formas de armazenamento da energia elétrica gerada, mitigação dos problemas de qualidade da energia elétrica

2 gerados pela inserção de aerogeradores à rede elétrica e leis ambientais locais [1]. II GERAÇÃO EÓLICA Os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre, sendo assim, a Energia Eólica é um resultado direto da radiação solar. Estima-se que 2% da energia solar absorvida pelo planeta são convertidas em energia cinética dos ventos [1]. Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo. Através da energia cinética contida nos ventos, que são massas de ar em movimento, obtém-se a energia eólica. Isso ocorre por meio de conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de aerogeradores, também denominadas turbinas eólicas, para geração de energia elétrica. Os ventos são abundantes fontes de energia renovável e limpa, e estão presentes em todos os lugares, embora ocorram com maior frequência em algumas áreas e menor em outras, com maior ou menor intensidade em alguns meses do ano, ou em certas horas do dia. Os ventos ainda variam sobre a superfície terrestre em direção e sentido. Portanto, é um recurso variável no tempo e no espaço, ele é dependente do local e das condições geográficas e, em relação ao tempo, ele possui alterações das suas grandezas, tais como: direção, sentido e intensidade, podendo ser classificado em quatro períodos: anual, mensal, diário e curto-prazo. Para se determinar o comportamento e os valores climáticos de uma região com precisão são necessários décadas, assim como são necessários cerca de cinco anos para se conseguir um valor confiável de velocidade média anual dos ventos. O estudo rigoroso do regime dos ventos tem como finalidade avaliar o comportamento dos ventos no futuro, visando o seu aproveitamento como uma fonte de energia. Tendo em vista que a velocidade do vento pode variar significativamente em curtas distâncias (algumas centenas de metros), os procedimentos para avaliar o local no qual se deseja instalar turbinas eólicas devem levar em consideração todos os parâmetros regionais que influenciam nas condições do vento. Entre os principais fatores de influência no regime dos ventos destacam-se: A variação da velocidade com a altura; A rugosidade do terreno, que é caracterizada pela vegetação, utilização da terra e construções; Presença de obstáculos nas redondezas; Relevo, que pode causar efeito de aceleração ou desaceleração no escoamento do ar. III CENÁRIO NACIONAL DA GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA O Brasil é privilegiado em termos de ventos por apresentar uma média duas vezes superior à média mundial e pela pouca alteração na velocidade dos ventos, sendo possível prever o volume a ser produzido. Outro ponto interessante é de que como esta velocidade do vento costuma ser maior em períodos de seca, é possível utilizar as usinas eólicas em complementação com as usinas hidrelétricas, assim preservando a água nos reservatórios nos períodos de estiagem, "estocando" a energia elétrica. Por fim, as estimativas constantes do Atlas do Potencial Eólico, apontam para um potencial de geração eólica de 143 mil MW no Brasil. A primeira turbina eólica instalada no país foi no Arquipélago de Fernando de Noronha, em Esta turbina possuía uma potência de 75 kw, um rotor de 17 metros de diâmetro de torre de 23 metros de altura [2]. O maior potencial eólico no Brasil é localizado na região Nordeste, com 75 GW. Em seguida temos o a região Sudeste, com 27,7 GW. A região sul está em terceiro lugar, com uma produção de 22,8 GW. Abaixo, apresenta-se um mapa com a capacidade de produção de cada região brasileira [2]. Figura 1 - Potencial eólico nacional Segundo o BIG (Banco de Informações de Geração) da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), as 17 usinas eólicas em operação em novembro de 2008, apresentaram um potencial instalado de 273 MW. Isto é o resultado de como o país está se desenvolvendo e investindo no quesito de energia eólica, visto que em 2003, o Brasil dispunha de um potencial eólico total instalado de 22 MW, sendo possível verificar um crescimento anual médio de 65%. É importante destacar que não foi somente o número de unidades geradoras que aumentou, mas também a sua potência e seu porte [2]. O emprego da energia eólica no país teve início com o Programa de Fontes Alternativas de Energias Renováveis (PROINFA), em Os investimentos neste tipo de energia foram baixos nos anos de 2005 a 2008, mesmo tendo um aumento considerável na produção da mesma, já destacada anteriormente. Porém, a partir de 2012, os investimentos ganharam um impulso, devido ao financiamento proposto pelo BNDES (Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social) e pelo BNB (Banco do Nordeste do Brasil) e pelo incentivo do ICMS para a instalação de novos parques eólicos, resultando numa potência instalada no país, em 2012, de 2,5 GW. A

3 seguir, tem-se um gráfico mostrando a evolução da capacidade eólica do país, junto de uma projeção para até o ano de 2018: No primeiro semestre de 2014, a situação da energia eólica no mundo foi bastante satisfatória, com um incremento de 17,6 GW na capacidade total do planeta. É esperado que para o fim de 2014 a potência instalada em todo o mundo seja de 360 GW, um aumento de 7% em comparação ao final do primeiro semestre (336 GW). [4] Figura 2 - Capacidade eólica instalada no país Na América Latina, o Brasil é líder na capacidade instalada, representando cerca de 72% da capacidade total. Tem possibilidade para o abastecimento de cerca de 7,5 milhões de pessoas e corresponde a 2% da participação na matriz elétrica brasileira, ficando atrás das hidrelétricas e térmicas. Entretanto, a melhoria na eficiência e a queda nos custos de produção e instalação das turbinas eólicas, vem tornando a utilização deste tipo de energia, competitivo no mercado [3]. Outro fator importante que cabe ressaltar, é o de que o valor dessa energia é baixo, como se pôde analisar no segundo leilão de fontes de energia alternativas, organizado pela ANEEL em agosto de 2010, em que as fontes de energia eólica apresentaram os melhores preços, R$ 134,23 por MWh, confirmando a tendência da redução dos preços por megawatt/hora para este tipo de energia. Sendo assim, a geração de energia elétrica no âmbito nacional por meio de turbinas eólicas, apresenta uma alternativa para diversos tipo de demandas, em que as pequenas centrais podem suprir pequenas localidades distantes da rede e as centrais de grande porte tem potencial para atender uma parcela significativa do Sistema Interligado Nacional (SIN) com alguns benefícios: contribuindo para a redução da emissão de gases poluentes atmosféricos pelas usinas térmicas [3]; diminuir a construção de grandes reservatórios para centrais hidrelétricas, que causam um grande impacto ambiental [3]; complementaridade com as hidrelétricas, para épocas de estiagem, fornecendo a possibilidade de um armazenamento de água nos reservatórios. [3] IV CENÁRIO INTERNACIONAL DA GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA Figura 3 - Capacidade mundial total instalada Os cinco países que mais contribuíram com o aumento da instalação de novas turbinas eólicas são: China (41%), Alemanha (10%), Brasil (7%), Índia (6%) e Estados Unidos (5%). O contínuo aumento da capacidade de geração de energia eólica da Ásia, ano após ano, essa alcançou a liderança como o continente com maior potência instalada no mundo (36,9%), ultrapassando a Europa, que produz 36,7% de toda geração eólica. Os principais representantes da Ásia são China, com uma impressionante capacidade de quase 100 GW, e a Índia com cerca de 22 GW [4]. A crise na Ucrânia serviu de incentivo para que todos os países europeus, que dependem da energia Russa, começassem a aumentar sua autonomia energética, com isso há uma previsão de um aumento contínuo nas instalações de geração de energia renovável. A situação da América do Norte foi de igual satisfação, que aumentou cerca de 835 MW, uma vez que no mesmo período do ano anterior, adicionou apenas 1,6 MW em sua capacidade [4]. Para a América do Sul, o Brasil é o grande representante, que se tornou o 13º país com maior potência instalada, e com previsão de alcançar a 10ª posição no ranking. Está em 3º no ranking de país com maior mercado para turbinas eólicas. Na Oceania não se têm registros de fazendas eólicas na Nova Zelândia, e na Austrália, apesar de adicionar 699 MW em sua potência instalada, não se espera outro aumento como este em um futuro próximo, uma vez que houve uma troca dramática de governo no país [4]. O continente africano entrou para a corrida para aumentar suas fontes de energia renováveis. Na África do Sul e em outros países africanos, foram instaladas fazendas eólicas [4]. Países como Japão, que perdeu a sua posição de 15º de país com mais potência instalada para a Polônia, e Coréia do Sul o aumento da capacidade de ambos está em passos lentos, com taxas de menos de 2% no primeiro semestre

4 de Isto se dá devido ao fato de que a grande maioria da energia gerada nos dois países são provenientes de usinas nucleares, mesmo com as desvantagens da usina nuclear. A Espanha e Itália também estagnaram, com um aumento de 0,1 MW para a Espanha e 30 MW para a Itália. As expectativas para o final de 2014 em diante são positivas, com aumento no investimento em geração eólica, o que vem a tornar mais viável a sua escolha pelos governos e concessionárias ao redor do mundo [4]. Figura 4 - Controle por perda aerodinâmica (Stall) - pás fixas V TECNOLOGIAS EMPREGADAS NOS AEROGERADORES Para especificar as tecnologias empregadas em aerogeradores, foi subdividido em 3 itens considerados mais relativos na construção de aerogeradores, que são sistemas de controle de potência, velocidade de operação e topologias para sistema eólico. Além disso, foi feita uma análise dos conceitos aplicados nas turbinas eólicas atualmente, considerando todo o avanço tecnológico, a aplicabilidade e o custo [5]. Figura 5 - Controle do ângulo de passo (Pitch Control) - pás com ângulo variável 2) Classificação de WECS em função da velocidade de operação: fixa ou variável 1) Sistemas de Controle de Potência Sistemas de conversão eólica de velocidade fixa: Atualmente existem três técnicas utilizadas para limitar a potência de saída de Sistemas de conversão de energia eólica ou WECS (Wind Energy Conversion System [6], para a condição de velocidades de vento superiores à nominal, quais sejam: Controle por perda aerodinâmica (Stall): tratase de uma técnica dita passiva, utilizada em turbinas convencionais que operam com velocidade constante, ou seja, com um ângulo de passo fixo (stall-regulated) [6]; Controle do ângulo de passo (Pitch Control): esta é uma técnica ativa, utilizada em turbinas de velocidade variável, onde as pás são projetadas para girar, independentemente uma das outras, em torno de seu eixo, de maneira a reduzir a área efetiva no caso de ocorrência de ventos elevados (acima do nominal) numa faixa relativamente grande, de 0 a aproximadamente 30 graus [6]; Controle fixo ativo (Active-Stall): também conhecido como sistema controlado (combistall ), pois utiliza uma combinação dos dois métodos anteriormente descritos. Neste sistema, o grau de liberdade das pás é bastante limitado, podendo variar normalmente de 0 a 4 graus [6]; Sistemas de conversão de energia eólica de velocidade fixa caracterizam-se por uma operação a velocidade praticamente constante, resultado de um acoplamento direto e rígido com a rede elétrica. Isto significa que, independentemente da velocidade do vento, a velocidade do rotor do gerador eólico é fixa e determinada pela frequência da rede elétrica ao qual está conectado. Devido a esse tipo de acoplamento, os efeitos nas máquinas eólicas são transferidos também de forma direta para o sistema elétrico e, da mesma forma, perturbações na rede de potência tem reflexo direto no aerogerador. Assim sendo, flutuações no vento se traduzem em flutuações mecânicas e consequentemente em variações da potência elétrica injetada na rede de conexão, podendo vir a afetar os padrões de qualidade da energia elétrica. Neste tipo de topologia, o gerador de indução é a opção mais usada pelos fabricantes de aerogeradores, aproveitando-se assim, sua maior simplicidade e robustez e, consequentemente, menor preço. Este tipo de conexão utilizam turbinas de eixo horizontal, com três pás, rotor montado upwind, stall regulated, constituem a extensa maioria das aplicações atualmente em operação, correspondendo a aproximadamente 60% dos casos [6]. Como uma das desvantagens do gerador de indução aponta-se a necessidade de troca de potência reativa com a rede, necessária a sua excitação e, portanto, a exigência de um equipamento adicional para correção do fator de potência.

5 Figura 6 - Arranjo típico de uma turbina de velocidade fixa, que utiliza o chamado conceito dinamarquês - CSCF (Constant Speed Constant Frequency). Figura 7 - Esquema típico de uma turbina de velocidade variável ilustrando os principais componentes - VSCF (Variable Speed Constant Frequency). Sistemas de conversão eólica de velocidade variável: Vantagens da utilização de sistemas de velocidade variável: Nos últimos anos as turbinas de velocidade variável têm-se tornado o tipo de tecnologia dominante na geração eólica. As turbinas de velocidade variável são projetadas para alcançar máxima eficiência aerodinâmica numa ampla faixa de velocidades. Com a operação em velocidade variável torna-se possível adaptar a velocidade rotacional da turbina (acelerando ou desacelerando) à velocidade do vento. Dessa maneira, a relação de velocidade é mantida num valor predefinido constante, de maneira a alcançar uma velocidade tal que leve a um ponto de operação de máximo coeficiente de potência. Contrariamente aos sistemas de velocidade fixa, os sistemas de velocidade variável mantém o conjugado do gerador aproximadamente constante e, as variações de potência causadas por variações do vento, são absorvidas, principalmente, por variações na velocidade do rotor do gerador e, consequentemente, da velocidade do rotor da turbina. A configuração típica dos sistemas de velocidade variável consiste de um gerador síncrono ou de indução com rotor bobinado, conectado à rede elétrica, assincronamente, através de um sistema conversor de frequência. O conversor mencionado é indispensável neste tipo de esquema, pois, como é sabido, os geradores síncronos operam com frequência diretamente proporcional à velocidade de rotação do rotor, dessa forma, a conexão à rede elétrica, de frequência definida, somente pode ser efetuada da forma mencionada [6]. Aumento da energia extraída do vento; Redução do ruído em baixas velocidades do vento; Conexão suave à rede elétrica, de frequência constante; Eventual ausência de caixa de velocidades. Desvantagens da utilização de sistemas de velocidade variável: A eficiência dos conversores eletrônicos; A produção de harmônicos; Comportamento do sistema elétrico em condições extremas de vento; Compatibilidade eletromagnética; Estabilidade dinâmica e transitória (apesar de ter melhor desempenho do que os sistemas de velocidade constante); Interferência na qualidade da energia do sistema ao qual está conectado. 3) Principais topologias para o Sistema Eólico Basicamente, existem três conceitos atuais de sistemas de conversão eólicos, sendo as outras versões existentes variações destes. Na sequência é feita a descrição de cada uma das topologias, ressaltando as características mais importantes de cada uma delas [6]. a) Sistemas de conversão eólica de velocidade fixa dotados de gerador de indução diretamente conectado à rede elétrica

6 A turbina eólica de velocidade constante, conforme já mencionado na seção anterior, está associada normalmente a um gerador de indução em gaiola de esquilo acoplado diretamente à rede elétrica. Neste caso, o rotor da turbina está conectado ao gerador elétrico através de uma caixa de transmissão de velocidade (gearbox). No conceito aqui descrito, a potência extraída do vento é limitada utilizando-se o método de entrada em perda aerodinâmica ou stall, descrito anteriormente. Isto significa que o rotor é projetado de forma tal que a sua eficiência diminui à medida que a velocidade do vento aumenta, impedindo dessa forma, que a potência mecânica extraída do vento se torne muito elevada. A figura 8 ilustra o arranjo anteriormente descrito, e exibe os principais componentes deste conceito, até o ponto de conexão com a rede elétrica. Salienta-se que geradores como o descrito nesta seção, normalmente são conectados através de dispositivos de partida suave, soft Starter, de maneira a suavizar os transitórios durante a fase de conexão com a rede elétrica. O banco de capacitores identificado na figura destina-se a compensar a demanda de potência reativa do gerador de indução utilizado nesta topologia, aliviando, dessa forma as redes de conexão. Esta prática é necessária sobretudo quando estes recursos de geração são conectados a redes fracas. Dessa forma, consegue-se atingir fatores de potências próximos à unidade [6]. gerador através da uma caixa de transmissão. Entretanto, nesta topologia, é permitida a variação da velocidade numa faixa estreita. Outro fato que merece ser destacado é o tipo de controle de potência, neste caso, utiliza-se a variação do ângulo de passo das pás para limitar a potência extraída do vento (pitch control ) para elevadas velocidades do vento [6]. Figura 9 - Topologia de um WECS de velocidade variável, dotado de gerador de indução de dupla alimentação conectado à rede elétrica através de um conversor de frequência. ii. Sistemas dotados de gerador de indução com rotor bobinado conectado à rede elétrica através de um dispositivo para partida Suave (soft starter) Outro arranjo possível, derivado do anterior, é o uso de geradores de indução com rotor bobinado conforme ilustrado na figura 10. Trata-se da proposta de um fabricante dinamarquês, o qual produz turbinas com escorregamentos do gerador variáveis (velocidade do rotor), podendo alcançar variações da ordem de até 10% da velocidade do gerador. O sistema mencionado utiliza um conversor controlado, através do qual a resistência do rotor do gerador pode ser manipulada [6]. Figura 8 - Topologia de um sistema de conversão eólico de velocidade constante acoplado à rede elétrica. b) Sistemas de conversão eólica de velocidade variável dotados de gerador de indução Tem-se abaixo uma abordagem das principais técnicas utilizadas pelos fabricantes de aerogeradores deste tipo de arranjo, para o caso de geradores de indução. i. Sistemas dotados de gerador de indução de dupla alimentação conectado à rede elétrica através de um conversor de frequência Em sistemas deste tipo, o enrolamento do rotor é alimentado usando um conversor VSI (Voltage Sourced Imposed) back-to-back. Como no caso do conceito anterior, o eixo (rotor) da turbina eólica está conectado ao Figura 10 - Topologia de um WECS de velocidade variável equipado com um gerador de indução com rotor bobinado conectado à rede elétrica através de um dispositivo para Partida Suave (Soft Starter).

7 c) Sistemas de conversão eólica de velocidade variável dotados de gerador síncrono conectado à rede elétrica através de conversor de frequência O terceiro conceito consiste de uma turbina eólica de velocidade variável, equipada com um gerador síncrono de acionamento direto. Este gerador pode ter um rotor enrolado ou utilizar imãs permanentes. O acoplamento deste tipo de WECS com o sistema elétrico pode ser feito através de um conversor VSI back-to-back ou um conversor composto de um retificador não controlado (ponte a diodos) e um inversor VSI (Voltage Sourced Imposed). A definição do gerador elétrico, retificador e inversor de frequência deve ser realizada em duas etapas praticamente independentes. O gerador e o retificador devem ser escolhidos de forma combinada e o inversor pode ser especificado praticamente independente do gerador e retificador usado. O gerador síncrono utilizado neste tipo de arranjo é uma máquina especial, multipólos de baixa velocidade, com um grande diâmetro, tornando dispensável o uso da caixa de transmissão, sendo esta uma grande vantagem deste conceito. Além disso, neste caso, a faixa de variação da velocidade permitida é ampla, uma vez que ocorre a retificação num primeiro momento e, em seguida, a inversão. O sistema elétrico deve, portanto, consistir de três partes principais: gerador, retificador e inversor. Como no segundo caso, a potência extraída do vento é limitada pelo controle do ângulo de passo das pás, ou seja, pelo pitching das pás do rotor em velocidades do vento elevadas [6]. Figura 11 - Topologia de um WECS de velocidade variável, dotado de gerador síncrono conectado à rede elétrica através de um conversor de frequência. 4) Evolução dos conceitos de turbinas eólicas Dos diferentes conceitos de turbinas eólicas discutidos, verificou-se que as diferenças construtivas e/ou de tecnologia, se refletem também em distinção de desempenho dos aerogeradores. Se a análise se dá entre equipamentos de velocidade constante e os de velocidade variável, constata-se que uns apresentam vantagens e desvantagens em relação aos outros. Todavia, complementarmente à análise comparativa já realizada em itens anteriores, turbinas eólicas de velocidade constante, por exemplo, embora sejam relativamente de construção mais simples e robusta, por outro lado, acumulam maior número de desvantagens [6]. Desvantagens das turbinas eólicas de velocidade constante: Carência de controle de potências ativa e reativa; Cargas mecânicas elevadas, porque flutuações de potência são traduzidas em pulsações do torque, podendo levar a falhas na caixa de transmissão; Devido à impossibilidade de armazenamento de energia (por exemplo, na forma de energia cinética), face a suas características de dependência da tensão e frequência do sistema de potência, verificam-se variações na potência de saída, que podem manifestar-se na forma flutuações de tensão. Esses e outros aspectos já descritos têm sido fundamentais para o crescimento de turbinas que operam com velocidade variável. Atualmente, há uma forte tendência por parte de fabricantes destes equipamentos, de voltar suas linhas de produção para esse tipo de acionamento. Vantagens para a aplicação de turbinas eólicas com velocidade variável: O acelerado avanço da eletrônica de potência, indispensável na operação de turbinas eólicas de velocidade variável, acompanhado de uma sensível redução dos custos destes materiais, está tornando-os rapidamente acessíveis e confiáveis. Além disso, o desenvolvimento de novos materiais, mais leves e resistentes, propiciou o desenvolvimento de máquinas de maior potência, o que se constitui num atrativo para a sua introdução como mais uma alternativa para a geração de energia elétrica; Turbinas eólicas a velocidade variável apresentam um desempenho superior em relação à turbinas de velocidade constante, pelo fato da velocidade ótima do rotor poder ser alcançada para cada velocidade do vento; O aumento das dimensões das turbinas eólicas acarreta o acréscimo das cargas mecânicas. Este efeito, no entanto, pode ser amenizado pela operação a velocidade variável, principalmente com a ausência da caixa de transmissão;

8 As turbinas eólicas de velocidade variável oferecem um controle flexível da potência reativa, o que constitui uma grande vantagem, particularmente em aproveitamentos remotos e também nas costas marítimas (offshore); Turbinas eólicas a velocidade variável podem ser adequadas com maior facilidade às exigências legais, em termos dos requisitos mínimos da qualidade da energia elétrica gerada. Esta questão é especialmente importante quando relacionada com grandes parques eólicos, em função da vultosa quantidade de energia envolvida; Possibilidade de armazenamento de energia, na forma de energia cinética inercial. Isto é devido à grande inércia do rotor do aerogerador e a característica de operação com velocidade variável, pelo uso do conversor de frequência e consequente desacoplamento entre ambos sistemas. VI IMPACTO DE GERADORES EÓLICOS NA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA Para o contexto da energia eólica, a qualidade da energia indica o desempenho elétrico do sistema de geração via aerogeradores sob quaisquer perturbações sobre a rede. Estes distúrbios devem ser mantidos dentro dos limites estabelecidos pelo operador da rede. 1. Distúrbios A Tabela 1 descreve os principais distúrbios causados por aerogeradores na rede elétrica e as respectivas causas, que podem ser resumidas em condições meteorológicas, do terreno, e especificamente sobre as características elétricas, aerodinâmicas, mecânicas e de controle presente no aerogerador [2]. Tabela 1 - Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica Distúrbios Causa do vento; Intensidade de turbulências; Harmônicos Conversores de frequência; Consumo de potência reativa Controladores tiristorizados; Capacitores Componentes indutivos ou geradores síncronos. Deve-se ressaltar a importância de se realizar um bom planejamento e projeto. A disposição das máquinas eólicas no parque implica em diferentes níveis de potência entregue para cada unidade geradora, visto que os geradores à montante farão melhor aproveitamento do vento. Para o caso dos harmônicos, uma grande fonte são os conversores de frequência utilizados na conexão dos geradores eólicos à rede elétrica. Assim, os geradores eólicos assíncronos ou síncronos quando ligados diretamente à rede elétrica não necessitam de maiores atenções neste aspecto [2]. 2. Principais indicadores de qualidade No estudo da qualidade alguns parâmetros se fazem disponíveis: a) Potência Reativa Enquanto os geradores de indução consomem energia reativa (60% a plena carga), os geradores síncronos podem produzir ou consumir energia reativa. O reativo necessário ao funcionamento desses transformadores implica em perdas. Para isso, se faz a compensação de reativo via banco de capacitores [7]. b) Variação de Tensão Distúrbios Elevação e queda de tensão Flutuações de tensão e Flicker Causa Valor médio da potência produzida; Operações de chaveamento; Efeito de sombreamento da torre; Erro de passo da pá; Erro de mudança de direção Cisalhamento do vento; Flutuações da velocidade A variação de tensão é a causa mais comum entre as reclamações sobre a qualidade da tensão. Sob o ponto de vista do produtor, as variações cíclicas diárias do vento causam a variação de tensão. Em fase de projeto é feita a caracterização destas variações e se averigua as ações corretivas possíveis para a produção de energia. Outro distúrbio considerado é o afundamento momentâneo de tensão (AMT). Até recentemente uma turbina eólica era desconectada quando a tensão de seus terminais caía abaixo de 80%. Devido ao seu pequeno impacto na rede, isso era aceitável. Com a crescente participação da geração eólica na matriz energética brasileira, aerogeradores devem permanecer em operação mesmo que a tensão remanescente no ponto de

9 acoplamento comum atinja 20% da tensão nominal durante 0,5s [11]. Na figura 12 é apresentado um gráfico típico de suportabilidade de aerogeradores frente a afundamentos momentâneos de tensão (AMTs). Figura 12 - Curva de suportabilidade proposta para aerogeradores frente a AMT's Como corretivo às variações, pode-se realizar as seguintes operações: - Instalação de transformadores com regulação de carga; - Instalação de BCs variáveis e controláveis; - Reajuste dos Tapes dos trafos instalados; - Ajuste da potência reativa fornecida localmente; - Reforço da rede elétrica; - Desligamento da central eólica (em último caso) [7]. c) Flicker (até 35 Hz) São pequenas e rápidas variações de tensão, normalmente provocadas por variações da velocidade do vento, aliadas a aspectos dinâmicos estruturais das turbinas eólicas [7]. Há a emissão de Flicker para os seguintes casos: Emissão de uma ou mais turbinas durante operação de mudança de gerador e partida da(s) mesma(s); Emissão contínua de várias turbinas; d) Harmônicos Os inversores do tipo PWM geram harmônicos de corrente da ordem de khz (múltiplos de 3). A figura 13 mostra a curva de corrente para diferentes frequências: Figura 13 - Relação entre corrente e frequência em inversores PWM e) Operações de chaveamentos A conexão e desconexão de equipamentos e máquinas de indução implicam em: Perturbações na rede; Elevados picos de torque no acionamento da turbina de vento ligada diretamente ao gerador de indução [7]; 3. Mitigação dos distúrbios de qualidade da energia elétrica Pode-se mitigar os efeitos através de: a) Softstarters Limitam a corrente a cerca de duas vezes a nominal; Tem uma capacidade limitada térmica e é curto-circuitado por um contator que pode conduzir a corrente a plena carga quando a ligação à rede for concluída; Atenua os picos de torque no entreferro do gerador associadas com os picos de corrente e consequentemente, reduz a cargas sobre a caixa de velocidades [7]. b) Proteção Os geradores devem ser desligados do sistema quando em afundamento de tensão, provocados por curtoscircuitos ao longo da rede. Neste caso, utilizam-se: Interruptores AC baseados em SCR's back-toback: 16,67 [μs]; Chaves de estado sólido tipo GTO ou IGTC: 2 a 3 [ms] [7]. VII FORMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA EÓLICA A energia eólica pode ser convertida em energia mecânica ou energia elétrica. Quando convertida em

10 energia mecânica, dizemos que é um aeromotor. Quando em elétrica, um aerogerador. Um dos maiores problemas da geração eólica é que a energia advinda deste meio não é constante, de tal forma que às vezes falta energia e às vezes sobra energia em relação a uma demanda que a curto e médio prazo se comporta com poucas oscilações. Para solucionar esse problema, criaram-se formas de armazenamento para evitar desperdício e escassez [8]. É importante ressaltar que o armazenamento é crítico em sistemas isolados, pois nesses sistemas uma variação de ventos pode gerar interrupção de abastecimento. Além disso, também é importante ressaltar que raramente um sistema é abastecido unicamente pela energia eólica e seus armazenamentos. Em via de regra, principalmente por uma questão de confiabilidade, existe uma forma de alimentação secundária para tornar o sistema mais robusto [9]. Do ponto de vista das concessionárias, o armazenamento de energia faz com que seja possível armazenar energias em períodos que o preço da energia está mais barata para revende-la durante períodos de pico de energia, garantindo lucros maiores. 1. Tipos de armazenamento Diversos métodos podem ser empregados para o armazenamento da energia provinda dos aerogeradores, dentre eles, os mais utilizados e que se encontram em destaque devido a aplicabilidade, são: a) Baterias recarregáveis É uma forma de armazenamento eletroquímica que consegue reverter as reações de oxidação/redução ocorridas em seu interior, podendo, portanto se descarregar (quando estiver suprindo energia) e se carregar (quando estiver sobrando energia). Nota-se também que existem diversos tipos de baterias utilizadas, as mais utilizadas são: Bateria de Sódio-enxofre, Sódio- Níquel, Vanádio, Cloreto de Lítio e Brometo de Zinco cada uma com suas respectivas características e aplicações [9]. A planta de baterias é controlada através de um controlador de carga. É um microcontrolador programado para decidir quando a bateria deve ser carregada ou descarregada. Para isso recebe informações da demanda, da capacidade de armazenamento na bateria (dado principal pois evita danos a bateria). Além disso, como a maioria dos sistemas elétricos são CA, é preciso instalar um inversor na saída da bateria de forma a gerar a onda alternada antes de chegar à carga. Uma planta básica é exibida na figura 14: Figura 14 - Planta básica de armazenamento em bateria b) Hidrogênio Também é uma forma de armazenamento eletroquímico. O processo se dá através do processo de eletrólise da água. A corrente elétrica gera a separação da água (eletrólise) e a geração de moléculas de hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio é armazenado (engarrafado e liquefeito ou em hidratos metálicos) para posteriormente poder ser recombinado com o oxigênio gerando energia elétrica. É uma tecnologia em desenvolvimento que, no momento, não é capaz de atender grandes cargas [10]. c) Térmico Este método utiliza resistores (que na passagem de corrente elétrica liberam calor pelo Efeito Joule) para aquecer água que pode ser armazenada tanto na forma de água aquecida como na forma de vapor. Normalmente não é utilizado como forma de armazenamento por apresentar muitos desperdícios [10]. d) Reservatórios por motor-bomba A ideia aqui é utilizar o excedente gerado para transportar uma massa de água para um reservatório mais alto, de forma a armazenar a energia em seu potencial hidráulico, agindo como uma hidrelétrica (em proporções muito reduzidas). Foi muito utilizado até meados da década de 80, quando por pressões ambientais sua construção se tornou inviável. A principal alternativa era baterias mas elas não conseguiam armazenar a mesma quantidade de energia. Dados do Electricity Storage Handbook 2013 estimam que a capacidade de armazenamento instalada no mundo é de 129 GW [10]. e) Motor-compressor Utiliza um motor-compressor para gerar arcomprimido. Este fica, normalmente em um reservatório no subsolo (cavernas de sal) e pode ser liberado acionando uma turbina que gere energia elétrica. É possível ter reservatórios artificiais, porém estes encarecem a obra. Junto com a tecnologia de reservatórios por motorbomba, é capaz de armazenar grandes quantidades de energia. É uma tecnologia recente e as plantas pioneiras estão na Alemanha e nos EUA [10].

11 f) Motor-volante É uma forma de armazenamento mecânica. Utiliza a ideia do motor de inércia, a diferença é a partida. O motor-volante utiliza energia elétrica para iniciar o movimento, o segundo utiliza energia mecânica. É uma tecnologia segura que causa muito pouco impacto ao meio ambiente. O maior obstáculo é sua reduzida quantidade de armazenamento [10]. 2. Aplicabilidade De todos os citados, os mais comuns são o armazenamento em bateria e através de reservatórios motor-bomba, que devido ao seu custo tem tido uma grande aplicabilidade e por esse motivo, foram mais detalhados. Recentemente, tecnologias de motorcompressor vem ganhando muita força [10]. VIII CONCLUSÕES A partir do que foi apresentado neste artigo, pode-se concluir a viabilidade da utilização de aerogeradores nas usinas de energia eólica, visto que no contexto atual tem um custo relativamente baixo e acessível ao mercado e são muito bem aplicados para controle da geração em épocas de estiagem. Essas usinas podem servir como forma de armazenamento de energia quando instaladas próximas a usinas hidrelétricas, visto que tem regimes de geração opostos e também tem-se diversos métodos de armazenamento aplicados para aerogeradores, como baterias, motores-compressores e cinética. Outro ponto fundamental é ter um planejamento de onde se instalar, para se ter uma geração constante, sem muita variação na velocidade do vento, evitando assim grandes problemas na qualidade da energia que os aerogeradores inserem na rede elétrica, como variações de tensão e potência. MERCADO DE ENERGIA ELÉTRICA", Universidade Federal de Itajubá, Itajubá - MG - Brasil, [6] Carvalho, Bismarck Castillo, tese de doutorado "DESENVOLVIMENTO DE MODELO COMPUTACIONAL DE SISTEMAS EÓLICOS UTILIZANDO GERADORES SÍNCRONOS PARA ESTUDOS DE DESEMPENHO NO CONTEXTO DA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA", Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia - MG - Brasil, [7] GERDES, G., SANTJER, F., KLOSSE, R., Overview and Development of Procedures on Power Quality Measurements of Wind Turbine European Wind Energy Conference, [8] - Acessado em 22/09/2014. [9] - Acessado em 22/09/2014. [10] DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA - Sandia Report July [11] Ferreira S. L. A., Neto A. S.,Dias R. F., Arruda J. P., Rosas P. A. C., Neves F. A. S., Medeiros F. C., Brasil D. O. C., Silva S. R., Análise de Critérios de Suportabilidade de Centrais Eólicas Durante Afundamentos Momentâneos de Tensão. IX REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Guerreiro, Patrícia Dias, trabalho final de graduação "Geração Eólica de Energia Elétrica", Universidade Federal de Itajubá, Itajubá - MG - Brasil, [2] CRESESB, Centro de Referência Para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Disponível em: < - Acessado em 22/09/2014. [3]Atlas da energia elétrica do Brasil, 3ª edição, Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEEL, Brasília, [4] r_report_2014.pdf - acessado em 29/09/2014. [5] Nascimento, Marcio Henrique Lima, dissertação de mestrado " IMPACTO DE CENTRAIS EÓLICAS NO