Outros Tópicos em Usinas Eólicas

Transcrição

1 Outros Tópicos em Usinas Eólicas Conexão com a Rede Impacto Ambiental Proteção, Aterramento e Fundação Planejamento de Sistemas Elétricos de Potência Eduardo Fabro

2 Conexão com a Rede Cuidados com a Conexão As Linhas de Transmissão O Armazenamento de Energia A Potência de Curto-Circuito O Custo de Transmissão Elétrica O Nível de Compartilhamento Eólico da Energia A Qualidade da Energia Elétrica

3 Cuidados com a Conexão rápida desconexão do gerador, no caso de a tensão ou frequência da rede exceder ou cair certos limites compensação para potência reativa conexão do gerador de indução apenas na faixa de aproximadamente 95% a 105% da velocidade de sincronia

4 As Linhas de Transmissão

5 As Linhas de Transmissão Fatores para determinação de conexão, equipamento e custo: a) distância da turbina a rede a) distância da turbina a rede b) capacidade de tensão e transmissão da rede c) controle de potência e equipamento elétrico na turbina d) requisitos técnicos do uso das estações de energia em paralelo com a rede

6 As Linhas de Transmissão turbinas são ligadas em paralelo geram 380 V e 690 V que são elevadas através de um transformador tensão elevada é entregue a uma subestação onde sofre segunda elevação até valor de transmissão valor de transmissão é entregue no ponto de conexão não é feita segunda elevação em casos de energia entregue direto a rede ou em parques de menor potência

7 As Linhas de Transmissão são instalados em áreas com bons ventos, normalmente em áreas remotas limites térmicos dos condutores, tensão e transitórios restringem capacidade de transmissão em situações extremas limite térmico: temperatura acima da qual o material começa a amolecer (normalmente 50º a 100º C) dependendo do tipo de material, tempo de uso, geometria limite térmico da capacidade de condução depende da temperatura ambiente, velocidade do vento, radiação solar, condições da superfície do condutor e altura acima do nível do mar

8 As Linhas de Transmissão

9 O Armazenamento de Energia

10 A Potência de Curto Circuito fator que determina a habilidade da rede de absorver distúrbios Propriedades básicas: Potência aparente de curto circuito: Relação de curto circuito: *taxa que reflete a rigidez de uma rede

11 A Potência de Curto Circuito Propriedades básicas: Ângulo de impedância de curto circuito : Tensão na carga em estado estacionário: *através da qual é possível estimar se a tensão na carga está ou não dentro dos limites especificados

12 A Potência de Curto Circuito Integração com a rede a frequência de um sistema é proporcional a velocidade de rotação dos geradores síncronos geradores no mesmo sistema AC estão sincronizados o aumento da carga no sistema tende a diminuir a velocidade dos geradores e a frequência

13 A Potência de Curto Circuito Integração com a rede Scc potência de curto circuito Uk tensão nominal no ponto Ze impedância equivalente entre os pontos considerados S potência elétrica aparente f fator de segurança In corrente nominal se a impedância é pequena, as variações também são, é dito que a rede é forte caso a impedância seja grande, as variações são grandes, é dito que a rede é fraca

14 A Potência de Curto Circuito Integração com a rede Uc nível de tensão no ponto de conexão, em regime estacionário

15 A Potência de Curto Circuito Redes Fracas e Redes Fortes Fatores considerados no projeto de um parque eólico: a) Compensação apropriada de energia reativa b) Reforço da rede c) Uso de turbinas eólicas com saída controlável de potência Os valores da tabela costumam ser usados para pequenos parques eólicos (50 MW ou sistemas isolados) Para grandes é necessária uma análise, levando em conta os ângulos de impedância

16 O Custo de Transmissão Elétrica Custo para entregar uma unidade de energia (kwh) do parque eólico a rede. EE energia entregue (MWh) Ep energia produzida (MWh) P perdas (%) U não disponibilidade (%)

17 O Nível de Compartilhamento Eólico de Energia Estratégias Operacionais e as Questões de Controle Na Europa, o sistema de energia é conectado internacionalmente e é dividido em: a) Estações Básicas: com alta capacidade, operando com carga nominal b) Estações de Média Carga: operadas e controladas de acordo com a curva de demanda da necessidade diária prevista c) Estações de Pico: para compensar variações de curto prazo na carga da rede

18 A Qualidade de Energia Elétrica

19 A Qualidade de Energia Elétrica

20

21 A Qualidade de Energia Elétrica Fórmula do fator de potência: *forma de se medir o nível de poluição elétrica fator de potência eólico é geralmente maior que 96% geradores assíncronos de velocidade constantes costumam ser compensados por bancos de capacitores geradores de velocidade variável são conectados a rede por um conversor de frequência (AC-DC-AC) e têm os reativos controlados por um inversor

22 A Qualidade de Energia Elétrica As Variações de Tensão São causadas por turbinas eólicas devido a: -rajadas -efeitos de sombra na torre Variação de tensão é o desvio da tensão RMS da tensão durante um curto período de tempo. Todo e qualquer tipo de turbina eólica causa variação de tensão na rede, que pode ser calculada via softwares ou analiticamente:

23 A Qualidade de Energia Elétrica As Variações de Tensão Para uma taxa de curto circuito constante: -uma baixa X/R aumentará a tensão no ponto de conexão -uma alta X/R diminuirá a tensão no ponto de conexão

24 A Qualidade de Energia Elétrica Fator de Mudança de Tensão medida normalizada da mudança de tensão devido a operação de comutação na turbina eólica Ku é similar ao valor do fator da corrente de partida Ki

25 A Qualidade de Energia Elétrica Afundamento da Tensão é uma redução brusca da tensão, seguido de seu restabelecimento após um curto período de tempo IEC: voltage dip, restabelecimento entre 0,5 ciclo e alguns segundos IEEE: voltage sag, decréscimo entre 10 e 90% do valor da tensão nominal, com duração de 0,5 ciclo e 1 minuto no Brasil é considerado para valores abaixo de 90%

26 A Qualidade de Energia Elétrica Afundamento da Tensão Principais causas: abertura de chaves e religadores em subestações problemas causados por fenômenos naturais falha de um equipamento em sobrecarga, em que o sistema de proteção atua no desligamento da alimentação partida de motores de grande carga

27 A Qualidade de Energia Elétrica Afundamento da Tensão Os tipos de afundamentos são associados aos tipos de curto-circuito: curto trifásico: entre as três fases ou entre as fases e o terra (5%) curto monofásico: entre fase e terra ou entre fase e neutro (80 e 15%) curto bifásico: entre duas fases ou duas fases e a terra

28 A Qualidade de Energia Elétrica Afundamento da Tensão Avaliação da súbita mudança de tensão: dispositivo para controle: FACTS (sistema de transmissão flexível em corrente alternada) Harmônicos não contribuem para a entrega de energia útil causam aquecimento de motores, erros na medição de energia elétrica, sobrecarga de capacitores

29 A Qualidade de Energia Elétrica Afundamento da Tensão Costuma-se analisar o desempenho de um sistema para cada harmônico separadamente e posteriormente sobrepor os resultados: Fator de Distorção de Harmônica Total:

30 A Qualidade de Energia Elétrica Afundamento da Tensão é útil em comparar a qualidade da alimentação AC em vários pontos de um mesmo sistema de potência ou entre sistemas de potências quanto maior o THD, mais distorcida é a onda senoidal, resultando em maior perda I²R Correntes Harmônicas Harmônicos de Tensão

31 A Qualidade de Energia Elétrica Flickers flicker (cintilação) é a variação de velocidade da turbina devido a flutuações nas condições do vento, que causa uma impressão subjetiva da variação de densidade de luz das lâmpadas valores inconvenientes para o olho humano são de 8 a 10 Hz pode causar desde desconforto visual, dor de cabeça e dificuldades de raciocínio até disfunção neurológica

32 A Qualidade de Energia Elétrica Flickers flicker de sombra é o efeito estroboscópico do aspecto da sombra das pás em rotação quando o sol está atrás delas valores que podem causar distúrbios são de 2,5 a 20 Hz, sendo que frequências de 15 a 20 Hz podem até levar a convulsões epilépticas 10% da população adulta e 30% da de crianças são sensíveis a alguma variação de luz nessas frequências pás modernas giram a 35 rpm que equivale a 1,75 Hz existem softwares para controle e desligamento das turbinas existem regiões do planeta onde as altas latitudes e baixo ângulo do sol, fazem do flicker de sombra um problema sério

33 A Qualidade de Energia Elétrica Flickers Segundo a IEC, os níveis de atuação dos flickers podem ser quantificados pelos indicadores de curta (Pst, 10 minutos) e longa duração (Plt, 2 horas). O Pst pode ser calculado segundo as seguintes equações:

34 A Qualidade de Energia Elétrica Flickers Para diminuição do flicker em parque eólico adota-se: a) Potência de curto circuito grande no ponto de conexão do parque eólico b) Uso de conversores na conexão à rede da turbina eólica c) Uso de turbinas eólicas com velocidade variável

35 A Qualidade de Energia Elétrica Coeficiente de Flicker é a medida normalizada da emissão máxima de uma turbina eólica em operação contínua: ele é fornecido pelo fabricante da máquina é dependente da velocidade anual dos ventos no local de instalação das turbinas e do ângulo de impedância equivalente de curto circuito da rede no ponto de conexão é recomendado o uso de seu pior valor

36 A Qualidade de Energia Elétrica Coeficiente de Flicker Pode-se usar o valor do coeficiente de flicker para calcular o nível de emissão de flicker: E para N turbinas: Os níveis de referência para nível de emissão: Pst = Plt <= 0,9 para tensões entre 1 kv e 35 kv Pst = Plt <= 0,3 para tensões maiores que 35 kv Quando ocorres comutação, os níveis de tensão e flicker dependem: do nível de tensão em que o parque eólico está conectado da frequência com que as manobras ocorrem da potência dos geradores eólicos

37 A Qualidade de Energia Elétrica Fator de Passo do Flicker Para determinar o nível de emissão de flicker devido as operações de chaveamento: Os níveis de referência para Pst e Plt são: Pst <= 0,9 e Plt <= 0,7 para tensões entre 1 kv e 35 kv Pst <= 0,3 e Plt <= 0,2 para tensões maiores que 35 kv

38 A Qualidade de Energia Elétrica Causas do Flicker flutuações do vento em linhas de transmissão chaveamento do gerador eólico em velocidades do vento em torno da velocidade de partida operações de comutação flutuações aerodinâmicas na potência, por causa do efeito da sombra na torre variações na potência devido a rajadas e gradiente do vento vibrações na turbina devido a erros no controle de passo oscilações no conjugado da turbina devido a variação natural do vento e ao peso das pás

39 A Qualidade de Energia Elétrica Tensões Transitórias na partida de um gerador eólico, a corrente transitória alcança 7 vezes o valor de regime num parque, todos os transitórios se somam também ocorrem transitórios na comutação de dois geradores de diferentes potências nominais é necessário controle para evitar a simultaneidade das energizações

40 A Qualidade de Energia Elétrica A Suportabilidade a Faltas (Fault RideThrogh) antigamente todas as turbinas eólicas eram desligadas por qualquer perturbação na rede isso era feito para evitar ilhamento ou perda de rede (loss of grid ou loss of mains) eram usados relés que respondiam a qualquer incidente porém, caso disparassem em bloco, grande parte da energia eólica seria desconectada criando escassez na geração

41 A Qualidade de Energia Elétrica A Suportabilidade a Faltas (Fault RideThrogh) foi criado o requisito FRT (fault-ride through), que é a capacidade de um sistema para suportar afundamento de tensão determinam valores temporais mínimos que os parques devem continuar em operação, normalmente permitindo a desconecção em um afundamento de 10 a 20% há códigos que exigem que os geradores eólicos injetem correntes reativas na rede durante o afundamento para manter determinado nível de tensão não existe uma normatização internacional, já que cada país tem características próprias em seu sistema com regulação particular

42 A Suportabilidade a Faltas no Brasil

43

44 Os Procedimentos de Rede no Brasil

45 A Qualidade de Energia Elétrica Os Procedimentos de Rede no Brasil Tipo I programação e despacho centralizados Tipo II programação centralizada e despacho não centralizado Tipo III programação e despacho não centralizados (usinas não classificadas nos casos anteriores)

46 Impacto Ambiental Impacto Visual Impacto Sonoro Emissão de Ruído O Impacto nas Aves Impacto Devido a Interferência com Ondas de Rádio e TV Impactos em Sítios Arqueológicos Análise Crítica Ambiental O Outro Lado da Moeda

47 Impacto Visual Impactos: tipo de paisagem cores das torres número de turbinas quantidade de torres design das turbinas Para minimizar os efeitos: pintar turbinas com a mesma cor da paisagem manter distância mínima dos parques em relação as residências (500 m) atentar a posição do sol e efeito cíclico

48 Impacto Sonoro Emissão de Ruído sons inferiores a 20 Hz (infrassons) causam náuseas e dores de cabeça limite da audição humana é 0 db, valores acima de 60 db causam irritações e a partir de 100 são prejudiciais

49 Impacto Sonoro Emissão de Ruído A Física do Ruído o ouvido humano é mais sensível a sons em torno de 1000 Hz ruído de parques eólicos depende da velocidade dos ventos, dos tipos de sistema, do número de turbinas e das características do local médias típica de 103 db Existem duas principais fontes de ruído em uma turbina eólica: mecânica e aerodinâmica

50 Impacto Sonoro Emissão de Ruído O Ruído Mecânico é gerado pelo maquinário na nacele principalmente pela caixa de engrenagens e do gerador existem duas categorias: quando é diretamente radiado na atmosfera quando é devido as vibrações propagadas através dos elementos de transmissão para a nacele e torre (principal causa do ruído) os ruídos na caixa de engrenagens são causados por um erro da malha do sistema conversão-transmissão há também diferenças entre tipos de engrenagens: helicoidais são menos ruidosas que as retas uma maior redução de ruído é alcançada com o isolamento acústico da nacele

51 Impacto Sonoro Emissão de Ruído O Ruído Aerodinâmico fenômeno ainda não muito compreendido existem métodos semiempíricos para previsão do ruído usados em acústica computacional é o principal ruído das turbinas Categorias de ruído aerodinâmico: i) De frequência: da interação da pá com a torre e o cisalhamento do vento ii) De fontes autoinduzidas: geradas pelo aerofólio iii) De ruídos de turbulência de escoamento de aproximação: devido a turbulência atmosférica

52 Impacto Sonoro Emissão de Ruído A Legislação e os Valores Praticados do Ruído Não existe um único padrão de ruído internacional comum para os níveis de pressão sonora, mas costumam haver regulamentos de limites superiores de pressão sonora as quais as pessoas podem ser expostas, variando de país para país e por horário.

53 O Impacto nas Aves Principais pontos ambientais analisados: a) Os efeitos sobre populações de pássaros das mortes provocadas por turbinas eólicas b) A violação de trajetórias de migração de pássaros O desenvolvimento eólico afeta os pássaros alterando seu habitat de migração, colisões e eletrocussões Porém podem também trazer benefícios como proteção da terra contra mais perdas de habitat e proteção de pássaros contra perseguição indiscriminada

54 O Impacto nas Aves Acidentes com Morcegos estudos mostram que morcegos em comportamento migratório estão sendo mortos por turbinas eólicas em um quantidade sem precedentes não se sabe o motivo desse fenômeno e não existem programas de monitoramento em escala continental de avaliação de acidentes com morcegos morcegos são predadores de insetos noturnos, estudos dizem que uma colônia de 150 morcegos no estado americano de Indiana comeu aproximadamente 1,3 milhão de insetos em um único ano acreditasse que a morte de morcegos possa causar um prejuízo agrícola de mais de U$3,7 bilhões por ano, podendo atingir U$53 bilhões anuais, por serem os predadores naturais de muitas pragas agrícolas

55 Impacto Devido a Interferência com Ondas de Rádio e TV A interferência com os sinais de TV pode ser atribuída a: a) O sinal direto da estão de TV pode ser perturbado pelo giro das pás se a turbina eólica estiver posicionada diretamente em linha com o receptor b) A interferência causada pela turbina refletir o sinal. Esse problema está relacionado a topografia individual de cada local, assim como o desenho das pás do rotor que consistem parcial ou totalmente de aço. Para resolução desses problemas adotam-se pás de fibras de vidro ou madeira, o simples alinhamento das antenas já resolvia o problema, ou até a instalação de um pequeno retransmissor. Os efeitos das turbinas mas transmissões são mínimos e somente aplicáveis baixas distâncias (da ordem de dezenas de metros), porém há problemas quanto a interferência em radares para controle de tráfego aéreo e civil, situação que ainda não tem solução. Impactos em Sítios Arqueológicos

56 Análise Crítica Ambiental A fabricação das turbinas eólicas e seu processo de eliminação causam impactos ambientais, que devem ser considerados O EACV foi criado para determinar e quantificar as O EACV foi criado para determinar e quantificar as emissões relacionadas e o impacto da tecnologia de produção de energia eólica, assim como para definir o chamado tempo de retorno energético (payback time) que é o tempo de uso necessário para pagar pela energia gasta na fabricação da unidade, entretanto, os resultados apresentam algumas incertezas que precisam ser consideradas e avaliadas

57 O Outro Lado da Moeda Há diversos movimentos que se opõem a instalação de turbinas eólica, tendo como principais alegações: impactos ambientais ganho financeiro questões de saúde

58 O Outro Lado da Moeda Fenômeno NIMBY NIMBY Not In My Backyard ou Não no meu quintal Fenômeno de oposição de residentes a projetos de desenvolvimento próximos a eles. Como principais motivos: alteração de áreas com valor paisagístico diminuição do valor econômico de residências questões de saúde como A Síndrome da Turbina Eólica

59 Vídeos Impactos ambientais de usinas eólicas: Impacto de usinas eólicas sobre peixes

60 Proteção, Aterramento e Fundação Proteção Contra Raios Aterramento Fundação

61 Proteção Contra Raios o Brasil é o país com maior incidência de descargas atmosféricas no mundo, sendo 50 milhões por ano a maioria atinge a ponta da pá o sistema de proteção consiste num receptor localizado na ponta da pá, uma peça de metal aparafusada e facilmente trocável, dentro da qual existe um fio metálico que conecta o receptor a uma fita metálica flexível do cubo ao sistema de aterramento da turbina

62 Proteção Contra Raios O relâmpago é um fenômeno natural com duração de 0,5 segundos e comprimento de 5 a 10 km de extensão, podendo ocorrer: da nuvem para o solo (positiva ou negativa) do solo para a nuvem dentro da nuvem entre nuvens de uma nuvem para um ponto de ar O impacto com uma turbina eólica pode ocorrer: de ação descendente de ação ascendente

63 Proteção Contra Raios Tipos de proteção contra raios em turbinas eólicas: sistema de captação aérea nas pás fitas de alta resistência e desviadores condutores instalados dentro das pás material condutor na superfície das pás Zonas de Proteção: Zona de proteção 0A: quando a ação de um raio direto é possível Zona de proteção 0B: quando a ação de um raio direto é impossível Zona de proteção 1: quando a ação de um raio direto é impossível Zona de proteção 2: como na zona 1

64 Proteção Contra Raios

65 Proteção Contra Raios Não há instalação de parques eólicos em nenhuma das cidades citadas acima

66 Aterramento tipicamente disposto em forma de anel ao redor da base da fundação geralmente acrescentados eletrodos verticais e horizontais para alcançar baixa resistência de aterramento, baixa tensão de passo e tensão de toque

67 A Fundação é determinada pelo tamanho da turbina eólica e pelas condições locais do terreno o fator determinante é a maior velocidade do vento, assim como o tipo de turbina outro caso a se verificar é o de elevadas cargas durante a operação, onde o máximo momento de inclinação para a fundação é determinado pelo empuxo do rotor dependendo das condições geológicas, podem ser feitas fundações escavadas ou em sapata, de acordo com quanta carga pode ser absorvida pelo solo

68