Fundamentos e viabilidade técnico-econômica. Parte 2 ENERGIA EÓLICA. Profa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas

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1 ENERGIA EÓLICA Profa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas Fundamentos e viabilidade técnico-econômica Escola Politécnica Universidade de São Paulo Parte

2 Sumário 3- Processo de conversão da energia eólica em energia elétrica 3.1 Potência extraída do vento 3. Classificação das turbinas eólicas 4- Sistema eólico para geração de eletricidade 4.1 Principais componentes do sistema Suporte estrutural (torre) 4.1. Pás Caixa de multiplicação gerador elétrico Mecanismo de controle Aerodinâmica da tirbina Sistema de segurança Equipamentos elétricos ancilares Conversores 4.10 Filtro de harmônicos 4.11 Sistema de controle pg

3 CAPÍTULO 3 FUNDAMENTOS DA ENERGIA EÓLICA E TECNOLOGIAS DE CONVERSÃO 3- Processo de conversão da energia eólica em energia elétrica 3.1 Potência extraída do vento Apenas uma parte da potência contida no vento é possível de ser extraída por uma turbina eólica e essa parte é quantificada pelo coeficiente de potência Cp, isto é, a relação entre a potência possível de se extrair do vento e a quantidade total de potência nele contida. Esta perda de potência (mostrada por Albert Betz em 198) é devido as características aerodinâmicas da turbina. Segundo o físico Betz, a máxima fração de potência que pode teoricamente ser extraída da potência do vento é de 16/7 ou 59,3%. A figura 3.1 mostra o perfil do vento aproximando e atravessando as pás de uma turbina de eixo horizontal. A V0 A1 Refr: Windpower.dk, 1998Figura 3.1 Perfil do vento ao longo de sua trajetória pelas pás de uma turbina [4] V1 = velocidade do vento não perturbado V0= velocidade do vento ao se chocar com as pás V = velocidade do vento após passar pelas pás V1>V0>V Pela lei da continuidade de fluxo: ρ. 1A 1V 1 = ρ AV = m ou seja, todo volume de ar que chega até as pás, delas têm que sair. Se a velocidade do ar é menor na saída, este ar ocupará uma área maior. A potência extraída dos ventos nas pás do rotor é a diferença entre a potência do vento que chega pela parte frontal da turbina e a potência contida no vento que deixa a turbina, vento este que sai com velocidade reduzida. A potência extraída do vento pode ser calculada pela seguinte expressão: onde: P = 1 { V } m. V 1 3

4 P = potência mecânica extraída pelo rotor V 1 = velocidade do vento na entrada da turbina V = velocidade do vento na saída da turbina m = massa de ar por seg A massa de ar que passa através da turbina é obtida multiplicando a densidade pela velocidade média. Ou seja: Massa de ar / seg = ρ. Volume de ar / seg Massa de ar / seg = ρ. A. L/seg = ρ. A. V 1 + V Substituindo na equação acima, a potência extraída do vento nas pás do rotor é expressa por: P 1 = ρ. A + ( V1 V ).( V V ) 1 Rearranjando algebricamente a equação acima: 1 P = ρ. AV. 3 1 V 1 + V 1 V 1 V1 A potência extraída da turbina é comumente expressa pela seguinte expressão: 1. ρ. AV. 3 1 C p P =. sendo C p V 1 + V = 1 V 1 V1 C p com mencionado acima é denominado como coeficiente de potência ou eficiência do rotor ou seja, traduz a quantidade de potência aproveitada no eixo do rotor. O restante é desperdiçado no vento que deixa as pás do rotor. O máximo valor teórico de Cp, denominado eficiência de Betz, é de 59,3%. A figura 3. mostra uma curva do coeficiente de potência (eficiência máxima teórica) em função da velocidade do vento. 4

5 Figura 3. Curva de Cp (máximo eficiência teórica) em função da velocidade do vento[dewi,00] Onde : ρ P = potência extraída do vento e, V 3 1 A, potência contida no vento Verifica-se que se V1=V0=V, significa dizer que nenhuma parcela de vento é interceptada pela turbina e, portanto não haverá conversão de energia cinética em potência no eixo (P=0, Cp=0). Se V0=0, significaria dizer que todo o vento foi interceptado pelas pás, o que também redundaria em nenhuma transformação de potência. A eficiência teórica máxima (59,3%) é obtida quando V0 = /3 V1 Na prática, são conseguidas eficiências inferiores que dependem do perfil aerodinâmico das pás, número de pás, rotação da esteira atrás do rotor, entre outros parâmetros de projeto do rotor. A eficiência do rotor não é constante e é função da velocidade específica RV (razão entre a velocidade tangencial, na ponta da pá, e a velocidade do vento incidente). A figura 3.3 mostra a influência da rotação da esteira formada pela rotação do rotor. Este comportamento do vento depende da velocidade de ponta das pás e se caracteriza como uma turbulência que aliada a menor velocidade do vento após passar pela turbina, além de interferir na eficiência aerodinâmica da turbina, exige que a turbina instalada a jusante, mantenha uma certa distância mínima para não ter a sua produção de energia prejudicada. 5

6 Figura 3.3 Interferência da esteira A razão da velocidade de ponta de pá ou velocidade específica é calculada pela seguinte expressão: RV= λ = ωr V 1 Onde: ω é a velocidade angular do rotor em rad/seg, R é o raio máximo da pá, V 1 a velocidade do vento não perturbado, ωr a velocidade tangencial na ponta da pá (metros/seg) A configuração geral do sistema eólico determinado conforme o tipo de aplicação e potência é que vai nos indicar o tipo de rotor e gerador ideal para ser utilizado. O rendimento dos mesmos é fornecido pelo fabricante. O gráfico mostrado a seguir (figura 3.4 ), relaciona o coeficiente de potência com a razão de velocidade de ponta para diferentes tipos de turbinas. Figura 3.4 Eficiências aerodinâmicas dos diversos tipos de rotores (Fadigas, 1993] Pegando como exemplo a curva de eficiência da turbina tipo hélice na figura 3.4, observa-se que, para uma determinada velocidade de vento, existe um único valor de RV ou velocidade angular que fornece uma eficiência máxima. A partir deste valor, a eficiência inicia sua queda, tendo em vista que a turbina não consegue extrair mais potência do vento (função do projeto aerodinâmico). 6

7 Como a velocidade do vento varia instantaneamente, para manter a turbina trabalhando na sua eficiência máxima que resulta na potência máxima, é necessária uma atuação do sistema de controle, variando a velocidade angular de tal modo que o valor de RV seja continuamente igual ao valor que fornece a máxima potência. O RV para extração da máxima potência é de aproximadamente 1 (um) para turbinas multi-pás e de baixa rotação até valores próximo a 6 (seis) para as modernas turbinas, de três e duas pás Podemos também definir a potência mecânica no eixo da turbina como potência rotacional. Potência (P) = Torque (T) (Newton-metro). Velocidade angular (w) A mesma potência pode ser transferida com grande torque e pequena velocidade ou pequeno torque e grande velocidade. As características torque-rpm do rotor devem combinar-se com as características de torque-rpm da carga. A figura 3.5 mostra uma curva típica de torque versus velocidade angular do rotor para duas velocidades de vento V1 e V, com V maior que V1. Verifica-se que o torque é baixo para velocidade angular igual a zero, aumentando até um valor máximo caindo novamente quando o rotor apenas flutua com o vento. A figura 3.6 mostra a curva de potência correspondente. Como a potência mecânica é o produto do torque pela velocidade angular, a potência é nula quando a velocidade do rotor é igual a zero e quando a velocidade angular é elevada e o torque nulo. A potência máxima é obtida a uma velocidade do rotor situada entre os pontos P1max e Pmax para as velocidades V1 e V respectivamente. Observa-se que a velocidade na qual ocorre a potência máxima não é a mesma velocidade na qual ocorre o torque máximo. Torque Nm Tmax T1 max V>V1 V1 Rad/seg Figura 3.5 Torque de uma turbina eólica versus velocidade do rotor para velocidades de vento V1 e V 7

8 Potência (Watts) P max P1max Rad/seg Figura 3.6 Potência de uma turbina eólica versus velocidade do rotor para velocidades de vento V1 e V A estratégia ótima de operação é controlar a carga no gerador elétrico, ajustando a velocidade do rotor, de tal forma que o sistema opere, para cada velocidade de vento, no seu ponto de máxima potência. A teoria e experiência com turbinas indicam que a operação com velocidade variável permite a obtenção de 0 a 30% mais de energia com relação à operação com velocidade fixa. 3. Classificação das turbinas eólicas As turbinas eólicas modernas podem ser classificadas de acordo com a orientação do eixo do rotor em relação ao solo em: verticais e horizontais. Os rotores de eixo horizontal são os mais comuns e grande parte da experiência internacional está voltada para a sua utilização. São predominantemente movidos por forças de sustentação (atuam perpendicularmente ao escoamento) e devem possuir mecanismos capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição perpendicular ao vento. Possuem duas ou mais pás dependendo de sua aplicação. Turbinas de múltiplas pás são normalmente utilizadas em fazendas para bombeamento de água. Para geração de eletricidade os rotores tipo hélice são os mais utilizados. Normalmente compostos de três pás ou em alguns casos 1 ou pás. Largamente empregados na produção de eletricidade por possuírem eficiências superiores às dos demais modelos. Por possuírem baixos torques de partida, só operam com velocidades de ventos elevadas. A figura 3.7 apresenta alguns modelos de turbinas tipo hélice de eixo horizontal. 8

9 Figura 3.7 Modelos de turbinas de eixo horizontal [Boyle, 00] As turbinas de eixo vertical captam a energia dos ventos sem precisar alterar a posição do rotor com a mudança na direção dos ventos. Podem ser movidos por forças de sustentação e por forças de arrasto. Os principais tipos de rotores de eixo vertical são o Darrieus, Savonius e turbinas com torres de vórtices. Podemos destacar o rotor Darrieus (figura 3.8). Movido por força de sustentação, é constituído de duas ou três pás (lâminas curvas) construídas em um perfil aerodinâmico de aerofólio simétrico. Possui eficiência um pouco menor do que a do rotor tipo hélice e sua principal desvantagem está na necessidade de já estar em movimento para produzir potência. É empregado em aplicações que requerem baixas potências (até 50 kw). Como vantagem, não requer mecanismos para controle de guinada, pois se auto-direciona na direção dos ventos; a estrutura de suporte dos equipamentos é mais simples, permitindo a instalação dos mesmos próximo ao solo o que facilita a manutenção. Como desvantagem, requer normalmente uma ancoragem da torre no solo, o que limita sua aplicação principalmente em projetos off-shore; para altas velocidades de vento, o controle da potência não pode ser feito facilmente apenas mudando o ângulo de passo das pás. 9

10 Figura 3.8 Rotor tipo Darrieus [Boyle, 00] ] Vários outros tipos de rotores foram desenvolvidos e são empregados em menor escala e com outras finalidades como para o bombeamento de água. Podemos destacar o rotor Savonius, Moinhos de Vento, entre outros. A figura 3.4 mostra a eficiência arodinâmica destes tipos de turbinas. Na fabricação das pás pode ser utilizado madeira ou composto de fibra de vidro e epóxi ambos materiais de alta densidade. Grande parte das pás dos rotores das modernas turbinas de grande porte é feita de fibra de vidro reforçada com epóxi ou poliéster. Também o aço e alumínio podem ser utilizados. Porém, apresentam problemas de peso e fadiga respectivamente. Pás de madeira, alumínio e aço são normalmente usadas em turbinas de pequeno porte. As modernas turbinas possuem duas ou três pás. O stress mecânico devido as forças centrífugas e fadiga sofrida pelo material sob condições de vibração contínua, faz com que o projeto das pás seja o elo mecânico mais fraco do sistema. Esforços extensivos têm sido feitos no intuito de evitar as falhas por fadiga prematura nas pás. Os sistemas de pequeno e médio/grande porte têm filosofias de projeto diferentes. As pequenas turbinas são normalmente instaladas em torres com alturas bem superiores aos seus diâmetros e que são normalmente estaiadas, enquanto as grandes/médias turbinas tendem a otimizar a eficiência termodinâmica para capturar a máxima quantidade de energia. Logicamente, os fabricantes, irão observar a distribuição de vento e seu conteúdo energético nas diferentes velocidades para determinar a combinação ideal entre tamanho de rotor e potência do gerador em diferentes plantas. A instalação de turbinas com dois ou mais geradores pode em alguns casos ser uma vantagem dependendo do preço da eletricidade. O preço de uma torre normalmente corresponde a 0% do preço total de uma turbina. Portanto é importante construir torre numa altura a mais ideal (otimizada) possível. Obviamente, se obtém mais energia de uma turbina maior do que uma menor. Naturalmente, não se pode instalar um rotor de 60 metros numa torre de menos de 30 metros. Porém, se consideramos o custo de um rotor de grandes dimensões, um gerador de alta potência e caixa de engrenagem, será um desperdício colocá-los numa torre baixa, tendo em vista que se obtém mais energia usando uma 10

11 torre mais alta. Cada metro de torre obviamente custa dinheiro, assim sendo a otimização da altura da torre é função: 1- custo por metro de torre - perfil da variação da velocidade do vento com a altura (rugosidade do terreno) 3- preço da energia gerada função dos kwh adicionais gerados Como verificado na seção anterior, a potência extraída de uma turbina depende do quadrado do diâmetro das pás e do cubo da velocidade do vento. Uma turbina que fornece uma potência de 300kW a 7m/s produzirá 450 kw a 8m/s. Como definir a potência nominal da turbina? Alguns fabricantes têm adotado um índice que relaciona a capacidade do gerador elétrico com o diâmetro da turbina, denominado capacidade nominal específica (CNE), definido como segue: CNE = potência nominal do gerador elétrico Área do rotor Por exemplo para uma turbina de 300/30, o CNE seria de 300 / π.15 = 0,4 kw/m. A capacidade nominal específica da turbina aumenta com o diâmetro das pás, resultando numa economia de escala para as grandes turbinas. O CNE varia entre 0, kw/m para diâmetro de 10m e 0,5 kw/m para diâmetro de 40 m podendo alcançar valores próximos a 1kW/m. Portanto, o projetista deve selecionar a potência nominal da turbina combinando as características de desempenho desta com as do gerador elétrico. Como a potência dos diversos componentes existentes no mercado varia de forma discreta, não é tão simples assim chegar ao melhor projeto, necessitando fazer várias iterações para encontrar um equilíbrio entre custo e os benefícios advindos das várias velocidades de projeto. Selecionar uma turbina com velocidade nominal baixa resulta em perdas de energia na ocorrência de ventos de alta intensidade. Por outro lado, turbinas com velocidades nominais elevadas, resultarão em baixas eficiências na ocorrência de ventos de baixa intensidade. A figura 3.9 dá uma idéia do tamanho dos rotores utilizados nas turbinas eólicas. Uma turbina típica usando um gerador de 600kW irá tipicamente possuir um rotor de 44 metros. Se dobrarmos o diâmetro do rotor, teremos uma área quatro vezes maior, significando que obteremos quatro vezes mais energia. Figura 3.9 Tamanhos de diâmetros de turbinas [http://www.windpower.dk/tour] ] No entanto, diâmetros de rotores podem apresentar valores diferentes dos apresentados na figura acima, tendo em vista que os fabricantes otimizam suas máquinas em função das condições locais 11

12 de vento. Um gerador de grande capacidade, naturalmente requer mais potência (ventos fortes) para funcionar. Se instalarmos uma turbina numa área de ventos fracos, maximizaremos a produção de energia usando um gerador pequeno para um dado tamanho de rotor (ou um rotor de grande porte para um dado gerador). Para uma máquina de 600 kw o diâmetro do rotor pode variar entre 39 a 48 metros. A razão de obtermos mais potência de um gerador relativamente menor em áreas de menores velocidades de vento é a de que a turbina irá funcionar mais horas por ano. Razões para escolher turbinas de grande porte 1- Economia de escala: máquinas de grande porte geram energia a um menor custo comparado às turbinas de menor porte. A razão disso é que o custo das fundações, estradas, conexão à rede elétrica, mais um número de componentes da turbina (controle eletrônico etc) muitas vezes independem do tamanho da turbina. - Máquinas de grande porte são mais adequadas em aplicações offshore. O custo da fundação não aumenta na proporção do tamanho das turbinas, e os custos de manutenção são largamente independentes do tamanho da turbina. 3- Em áreas onde é difícil encontrar locais para instalação de mais de uma turbina, uma turbina de grande porte instalada em uma torre alta usa o recurso existente de forma mais eficiente. Razões para escolher turbinas de pequeno porte 1- A rede local pode ser fraca para acomodar turbinas de grande porte. É o caso de áreas remotas, com baixa densidade populacional e conseqüentemente baixo consumo. - Há menor flutuação na eletricidade gerada por um parque formado por pequenas turbinas, visto que flutuações ocorrem aleatoriamente e tendem a se cancelar. 3- O custo da utilização de grandes guindastes e construção de estradas reforçadas para carregar os componentes das turbinas faz com que pequenas turbinas sejam mais econômicas em certas áreas. 4- Diversas máquinas de pequeno porte diluem o risco em caso de uma falha temporária 5- Considerações estéticas podem algumas vezes ditar o uso de máquinas pequenas. No entanto, turbinas de grande porte possuem velocidade rotacional mais baixa, significando que uma grande máquina não atrai tanta atenção quanto várias máquinas pequenas que giram mais rápido. Numa fazenda eólica, composta por uma série de turbinas, recomenda-se que as turbinas posicionadas na direção do vento prevalecente sejam espaçadas em uma distância de 8 a 10 vezes o diâmetro, e entre 1,5 a 3 vezes o diâmetro para turbinas na direção perpendicular à direção prevalecente do vento. A figura 3.10 mostra o modo ideal de instalação. Este espaçamento é necessário tendo em vista a alteração da velocidade e perfil do vento quando o mesmo deixa a turbina. Se o espaçamento for muito reduzido, a turbina a montante funciona como um obstáculo prejudicando o funcionamento da turbina situada imediatamente atrás. 1

13 Figura Espaçamento ótimo das turbinas em um terreno plano [Patel. 1999)] Os aerogeradores são classificados também por tamanho (altura e diâmetro das pás) e por potência instalada (potência nominal); de um modo geral são divididos em pequenos, médios e grandes. As tabelas 1 e apresentam respectivamente, a classificação quanto a potência e tamanho. Tabela 1 - Relação de tamanho e potência instalada Tamanho Pequeno Médio Grande Potência Instalada Até 80 kw De 81 a 500 kw > 500 kw Tabela - Relação tamanho e área do rotor Tamanho Diâmetro (m) Área do Rotor ( m ) Pequeno Até 16 metros Até 00 Médio 16m à 45m 00 à 1600 Grande > 45 m >

14 4- SISTEMA EÓLICO PARA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE Há uma variedade de máquinas que foram projetadas ao longo dos anos no intuito de aproveitar ao máximo a energia contida nos ventos. As máquinas modernas são referidas como turbinas eólicas ou sistemas de conversão de energia eólica para distinguir das máquinas tradicionais. As modernas turbinas eólicas, em grande parte são equipamentos utilizados para gerar eletricidade. Variam desde pequenas turbinas para produzir potências na ordem de dezenas ou centenas de kw, utilizadas principalmente em áreas rurais, até turbinas consideradas de grande porte que produzem potências na ordem de alguns MW e que normalmente estão interconectadas à rede elétrica. Basicamente um sistema eólico é composto pelos seguintes componentes: Torre Pás e rotor Caixa de engrenagens Gerador elétrico Sistema de controle Sistemas de freios Sensores Sistema eletrônico de potência para conexão à rede nacele A figura 4.1 apresenta os detalhes de um aerogerador de eixo horizontal. 14

15 Figura 4.1- Detalhes de um aerogerador de eixo horizontal[macedo,00] 4.1 Principais componentes do sistema A seguir apresenta-se um detalhamento da função de cada componente Suporte estrutural Torre A torre é o componente projetado para suportar a turbina e a nacele que contém no seu interior a caixa de engrenagens, gerador elétrico e demais componentes responsáveis pelo funcionamento do sistema gerador. As torres podem ser de três tipos: treliçadas, tubulares estaiadas e tubulares livres. Os materiais empregados são o concreto e o aço. Para turbinas eólicas pequenas e médias, as torres são na 15

16 sua grande maioria de aço, as grandes turbinas já utilizam normalmente estrutura de concreto. A figura 4. apresenta um modelo de torre treliçada, tubular e estaiada.. Deve-se ter um cuidado especial no projeto da torre para evitar que flutuações no vento provoquem vibração da mesma. treliçada Tubular estaiada Figura Tipos de torres [http://www.windpower.dk/tour; Boyle, 00 ] 41. Pás As turbinas eólicas modernas podem ser classificadas de acordo com a orientação do eixo do rotor em relação ao solo em: verticais e horizontais, conforme mostrado nas figuras 3.7 e 3.8 e explicado acima. 16

17 Também possuem uma classificação conforma posição das pás na torre em turbinas à montante A figura 4.3 mostra estes dois tipos de turbinas. e turbinas a jusante a montante a jusante Figura 4.3 Classificação das turbinas conforme posição das pás na torre[http://www.windpower.dk/tour] Efeito do número de pás Os principais fatores que permeiam a escolha do número de pás de uma turbina são: O efeito no coeficiente de potência (Cp) A especificação da razão de velocidade custo O peso da nacele A estrutura dinâmica Os meios de limitar a taxa de guinada (Yaw) para reduzir a fadiga giroscópica O número de pás é visto em função da solidez das mesmas. A solidez é definida como a fração sólida da área varrida pelas pás do rotor. Com o intuito de extrair energia de forma eficiente, a interação das pás como o vento deve ser a máxima possível. Turbinas de múltiplas pás, ou seja, elevada solidez, interagem com o vento a uma baixa razão de velocidade (RV), enquanto as turbinas de poucas pás, ou seja baixa solidez, giram mais rapidamente para virtualmente preencher a área varrida pelas pás, para interagir com a maior parte possível do vento incidente. Se a razão de velocidade é muita baixa (RV= Razão entre a velocidade na ponta da pá e velocidade do vento não perturbado), uma parcela do vento incidente passa através das pás sem interagir com as mesmas; por outro lado, se a razão de velocidade é alta, a turbina oferece muito mais resistência ao vento, de tal forma que uma parcela do vento desvia para o entorno. Turbinas de duas pás com a mesma solidez das turbinas de três pás terá uma razão de velocidade ótima 1/3 maior. Turbinas com apenas uma pá com a mesma solidez de turbinas de duas pás 17

18 possuem uma razão de velocidade ótima duas vezes maior. Razões de velocidade ótimas das turbinas modernas variam entre 6 a 0. Na teoria, quanto maior o número de pás, mais eficiente é o rotor. Todavia, grande número de pás pode interferir umas com as outras, assim sendo, turbinas de elevada solidez tende a ser menos eficientes dos que as de baixa solidez. Comparando a eficiência das turbinas de uma, duas e três pás, esta última possui a maior eficiência. Razões tais com maior estabilidade, menor velocidade rotacional para uma mesma produção de energia, menor ruído, sistema menos complexo para absorver shocks do rotor com a turbina, fazem com que turbinas de três pás sejam as mais usadas na atualidade. Turbinas com alta taxa de solidez, elevado número de pás, fornecem maior torque na partida e opera a baixa velocidade, como é o caso das turbinas multipas utilizadas no bombeamento de água. Para geração de eletricidade, as turbinas de duas ou três pás são as mais utilizadas, pois possuem baixa solidez, ou seja, trabalham com velocidades elevadas, mais próximas da velocidade de rotação do gerador elétrico. O modelo de uma turbina não é ditado apenas pela tecnologia, mas por uma combinação de tecnologia e custo. Fabricantes de turbinas eólicas desejam otimizar suas máquinas, de tal modo que o custo da eletricidade gerada seja a menor possível. Muitas vezes, não há necessidade de maximizar a produção anual de energia, se isto significar usar turbinas de elevado custo. Um gerador pequeno (poucos kws) necessita menos força para girar do que um gerador de maior porte. Se instalarmos uma turbina de elevada potência com um gerador de pequena potência, será produzida eletricidade durante muitas horas no ano, no entanto, será capturado um pequena parte da energia do vento quando este soprar em altas velocidades. Um gerador de maior potência, por outro lado, será muito eficiente na incidência de ventos fortes, mas incapaz de funcionar com ventos de baixa velocidade. Logicamente, os fabricantes, irão observar a distribuição de vento e seu conteúdo energético nas diferentes velocidades para determinar a combinação ideal entre tamanho de rotor e potência do gerador em diferentes plantas. A instalação de turbinas com dois ou mais geradores pode em alguns casos ser uma vantagem dependendo do preço da eletricidade. O preço de uma torre normalmente corresponde a 0% do preço total de uma turbina. Portanto é importante construir torre numa altura a mais ideal (otimizada) possível. Obviamente, se obtém mais energia de uma turbina maior do que uma menor. Naturalmente, não se pode instalar um rotor de 60 metros numa torre de menos de 30 metros. Porém, se consideramos o custo de um rotor de grandes dimensões, um gerador de alta potência e caixa de engrenagem, será um desperdício colocá-los numa torre baixa, tendo em vista que se obtém mais energia usando uma torre mais alta. Cada metro de torre obviamente custa dinheiro, assim sendo a otimização da altura da torre é função: 4- custo por metro de torre 5- perfil da variação da velocidade do vento com a altura (rugosidade do terreno) 6- preço da energia gerada função dos kwh adicionais gerados Fatores que devem ser considerados em um projeto de turbinas eólicas: - produção de energia - vida útil ( função do tipo de forças atuantes) - custo 18

19 Tipos de cargas: forças atuantes - Estática (cargas não rotativas): cargas constantes eu incidem na estrutura não móvel - Cargas fixas (rotativas): cargas não variam com o tempo, porém, a estrutura está se movendo. - Cargas cíclicas: variam com o tempo. Acontecem devido a conjunção de fatores como: peso das pás, efeito de sombreamento e movimento de guinada. - Cargas transitórias: aparecem em resposta a um evento externo temporário - Cargas impulsivas: cargas que variam com o tempo (relativamente curto), mas de elevada magnitude. Posição das torres com relação às pás. - Cargas estocásticas: cargas que variam com o tempo (cíclicas, transitórias e impulsivas) - Cargas ressonantes induzidas : cargas cíclicas resultantes da resposta dinâmica de algumas partes da turbina Fontes de cargas: - Aerodinâmicas: aparecem com ventos de alta velocidade interferindo na estrutura dinâmica e gerando fadiga - Gravidade: importante fonte de cargas nas pás de grandes dimensões - Interações dinâmicas: forças gravitacionais e aerodinâmicas induzem cargas em outras partes das turbinas - Controle mecânico: Ex: aplicação de freios para parar a turbina pode gerar cargas ao longo da estrutura Caixa de multiplicação (Transmissão) É o mecanismo que transmite a energia mecânica do eixo do rotor ao eixo do gerador. Os rotores modernos operam a velocidades de ponta (tangenciais) da ordem de 60 a 100 m/s, quase independente do tamanho do diâmetro. Assim, em virtude de questões mecânicas (vibração e empuxo) a velocidade de rotação do rotor da turbina eólica deve ser limitada entre 15 a 00 RPM Para geração, alguma forma de multiplicação de velocidade é necessária, pois os geradores no atual estado da arte, conectados à rede de distribuição elétrica, possuem uma rotação, tipicamente de 1800 rpm (4 pólos) ou 3600 rpm ( pólos) para freqüência de 60Hz. A transmissão mais amplamente utilizada é a por engrenagens, que tem como finalidade multiplicar a velocidade angular com o intuito de melhor aproveitar as características do gerador. As configurações mais modernas tendem a eliminar as caixas de engrenagens e utilizar geradores multipólos de baixa velocidade e grandes dimensões. O que se deseja é transferir toda potência do eixo de baixa rotação para o eixo de alta rotação onde está acoplado o gerador elétrico. A figura 4.4. mostra um modelo simplificado desta relação A potência é igual: Q Ω Q 1 1 = Ω A razão entre as velocidades das duas engrenagens Ω / Ω 1, é inversamente proporcional ao número de dentes de cada engrenagem, N 1 /N. Este último proporcional ao diâmetro da engrenagem. 19

20 Ω Ω 1 = N N 1 k 1 J inércia K rigidez n razão entre as velocidades dos eixos 1 e engrenagens Q torque rotação J 1 1 n k J Figura Sistema de engrenagem [Manwell,00] As figuras 4.5 mostram respectivamente os dois tipos de sistemas de engrenagens utilizados em turbinas eólicas, eixos paralelos e planetário. No sistema de engrenagens do tipo eixos paralelos, engrenagens são montadas em dois ou mais eixos paralelos. Num sistema de um único estágio, existem dois eixos, um de baixa velocidade ( acoplado ao rotor) e outro de alta velocidade (acoplado ao gerador elétrico). Há duas engrenagens, uma em cada eixo. O sistema planetário, os eixos de entrada e saída são coaxiais. Há múltiplos pares de engrenagens. (a) (b) Figura 4.5 Sistema de transmissão por engrenagens tipo (a) eixos paralelos e (b) planetário (Manwell,00 0

21 4.1.4 Gerador elétrico É o componente que tem a função de converter a energia mecânica do eixo em energia elétrica. Essa conversão pode ser feita utilizando os seguintes tipos de geradores elétricos: gerador de corrente contínua (CC), gerador síncrono, gerador de indução Gerador CC O gerador CC até a década de 80 foi extensivamente utilizado, devido à extrema facilidade de controlar a sua velocidade. Atualmente continua a ser utilizado, porém, limitado a turbinas de baixa capacidade, particularmente onde a energia elétrica pode ser localmente utilizada na forma CC. O gerador CC convencional, é auto-excitado através do uso de enrolamentos shunt ou série que fornecem tensão CC para produzir o campo magnético. Atualmente, tem se projetado gerador CC utilizando ímas permanentes para eliminar a dependência no fornecimento de corrente ao enrolamento de campo e desta forma o uso de comutador. Porém, o seu uso é limitado a máquinas de pequeno porte, abaixo de 100 kw. Com relação aos demais tipos de geradores, possui a desvantagem do seu alto custo e necessidades maior de manutenção. A figura 4.6 ilustra uma aplicação da turbina eólica usando gerador CC. Figura 4.6 Turbina eólica com gerador CC alimentando diretamente cargas CC e indiretamente ligado a rede elétrica via conversor CC-CA ( Moraes,004] Gerador síncrono O gerador síncrono é o mais utilizado na geração de energia elétrica. Funciona com velocidade constante associada à freqüência constante. Assim sendo, não é o mais adequado para trabalhar com operação em velocidade variável, típica de plantas eólicas, em função do comportamento dos ventos. Requer corrente CC para excitação de campo e conseqüentemente escovas de carbono e 1

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