Turbina eólica: conceitos

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1 Turbina eólica: conceitos

2 Introdução A turbina eólica, ou aerogerador, é uma máquina eólica que absorve parte da potência cinética do vento através de um rotor aerodinâmico, convertendo em potência mecânica de eixo (torque x rotação), a qual é convertida em potência elétrica (tensão x corrente) através de um gerador elétrico. Ela pode extrair energia cinética somente do ar que passa através da área interceptada pelas pás rotativas. Embora combinada com a eficiência do modelo, a área varrida pelo rotor circular (π r 2 ) é um fator crucial na determinação da energia entregue pela turbina eólica.

3 Introdução No início da utilização da energia eólica, surgiram turbinas de vários tipos - eixo horizontal, eixo vertical, com apenas uma pá, com duas e três pás, gerador de indução, gerador síncrono etc. Com o passar do tempo, consolidou-se o projeto de turbinas eólicas com as seguintes características: eixo de rotação horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não-flexível, como ilustrado a seguir.

4 Introdução Como o regime dos ventos não é constante (a velocidade dos ventos varia), as turbinas eólicas são projetadas para trabalhar em uma determinada faixa de velocidade de vento que é determinada abaixo da velocidade máxima dos ventos no local onde será instalada. Isso porque, se ela fosse projetada para trabalhar com a velocidade máxima do vento no local, além de requerer uma estrutura mais robusta (o que encareceria o projeto), isso também aumentaria a velocidade de acionamento (a velocidade de acionamento é aquela a partir da qual a turbina começa a gerar energia) já que, quanto mais pesada for a turbina mais energia cinética (do movimento dos ventos) é necessária para colocála em movimento. Assim, quando a velocidade dos ventos estivesse muito abaixo da máxima não seria produzida energia, significando desperdício.

5 Introdução Existem dois modos de se implementar um controle de potência em rotores de baixa solidez: o primeiro consiste em um sistema de controle ativo (é necessária a interferência de um operador) pelo qual se altera o ângulo do passo (picth, figura 1)ao girar as pás em seu eixo longitudinal de forma a reduzir seu ângulo de ataque, diminuindo, consequentemente, a velocidade das hélices; O segundo método consiste em um controle passivo ( stall ou estol, em português) que se baseia em um projeto aerodinâmico das pás de forma que quando a velocidade do vento atinge determinados valores as pás automaticamente entram em stall, ou seja, quando a velocidade do vento supera a velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá aumentando a força de arrasto.

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7 Aerodinâmica das pás A energia cinética bruta por unidade de tempo, potência, do vento passando por uma área A perpendicular ao seu vetor velocidade instantânea V, é dada por: onde : P = Cp(λ,β) 1/2 ρ.a.v 3 ρ = densidade do ar, que varia com a latitude e as condições atmosféricas; Cp(λ,β) = é o coeficiente da performance que se relaciona com a energia cinética de saída e depende do modelo e na relação λ ou TSR, entre a velocidade do rotor e a velocidade do vento ou seja, depende da taxa de velocidade e do ângulo de passo β das pás da turbina. Existem curvas onde se pode extrair o Cp ou se pode fazer o cálculo. V = velocidade do vento em m/s 2.

8 Aerodinâmica das pás Este diagrama de blocos representa o cálculo das equações aerodinâmicas estáticas da turbina, sendo assim, dadas a velocidade angular do rotor, a velocidade instantânea do vento e o ângulo de passo obtêm-se o torque do rotor.

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10 Um Modelo Mecânico O torque do rotor é variável de entrada para o modelo dinâmico referente à parte mecânica do sistema. Na figura abaixo é apresentado o diagrama equivalente deste sistema. O torque Tg é o desenvolvido pelo gerador elétrico para geração de energia

11 A equação de estado do sistema mecânico

12 Simulação de aerogerador O β é calculado pelo controle de passo da turbina.

13 Controle de passo O ângulo de passo β é controlado quando ocorrem variações na velocidade do vento, de modo que a potência de saída se mantenha dentro dos limites da máquina. A variável realimentada, potência mecânica, é calculada a partir da medição da velocidade do vento, através de uma unidade de controle de potência. O diagrama de blocos d e um tipo de controle do ângulo de passo é mostrado na figura abaixo.

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