Fontes renováveis de energia Energia Eólica

Transcrição

1 Aula Energias Renováveis Energia Eólica - - História - Potencial eólico - Categorização das turbinas eólicas - Características das turbinas eólicas - Construção de turbinas eólicas

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3 Mapa Mundial Pressão do Ar e Vento em Julho Pressão do Ar Velocidade do Vento Fraco Médio Forte Movimento dos ventos e transporte de calor do equador para os pólos Desvio norte-sul das células de circulação (diferença na quantidade de radiação do equador até +/-30 latitude devido a rotação do planeta (células Headley)

4 Mapa Mundial Pressão do Ar e Vento em Janeiro Pressão do Ar Velocidade do Vento Fraco Médio Forte Outras influências na geração de ventos são zonas pontuais de alta e baixa pressão (movimento do vento por rotação em torno das áreas de baixa pressão) Condições das temperaturas próximas à região costeira e zonas montanhosas

5 Potencial Eólico Mundial V < 3,6 m/s não utilizável 3,6 4,6 m/s utilizável 4,5 5,6 m/s bom 5,6 8,6 m/s muito bom

6 Desenvolvimento do Uso da Energia Eólica Desenvolvimento do uso da energia eólica Primeiras aplicações em moinhos de vento simples para irrigação ou em velas de balsas e barcos. Primeiros moinhos de vento com eixo vertical a partir do século XII (fronteira entre Irã-Afeganistão, depois China). A partir do século XVI "Moinho de vento holandês" com rotação de torre e pás eólicas. Direcionamento automático para captação do vento, ajuste do ângulo das pás e limitação de potência, a partir do século XIX. Na Europa, a partir do século XIX, cerca de 250 mil moinhos de vento ou turbinas eólicas com rotores de até 25 m diâmetro e uma potência entre kw. Primeira Turbina eólica de grande porte em 1941 nos EUA com kw.

7 Usinas Eólicas Históricas Westernmill para bombeamento de água Moinho Persa Moinho Holandês com torre giratória

8 A Técnica vezes mais geração de energia desde 1980 Rotor (diâmetro) Altura Rotor Potência Rotor (diâmetro) Altura Rotor Geração Anual

9 Maior Turbina do Mundo Enercon MW Altura Rotor 126 m

11 Altura do Equipamento: Cada metro conta! Velocidade Horizontal do Vento (m/s) Altura da Turbina Eólica (m)

12 Diferentes Alturas: Potências iguais produção muito maior! Altura Rotor Altura Total Potência Nom. Diâmetro Rotor Altura Rotor Produção anual Carga Total

13 Efeito Esteira em Parque Eólico

14 Velocidade do Vento e Potencial Eólico Estimativa Simplificada do Potencial Eólico P Wind 1 = ρ 2 A w 3 80 Temperatura [ C] Densidade Dichte [kg/m³] ,377 1,324 1,275 1,230 1,188 1,149 1,112 Onde: P = potência média do vento [W] ρ = densidade do ar seco = 1,225 kg/m³ w = velocidade média do vento [m/s] A = área do rotor [m²] Potencial Windleistung Eólico (kw) [kw] Nota: Uma turbina de um aerogerador moderno possui entre 25% - 40% de eficiência (energia cinética-mecânica) Velocidade do Vento (m/s) Windgeschwindigkeit [m/s]

15 Exercícios simplificados P Wind 1 = ρ A w 2 Ex. 01: Dados do Aerogerador: Diâmetro do Rotor (m): 16 Velocidade média do vento [m/s]: 12 ρ = 1,225 kg/m³ Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40% Resultados do Aerogerador: Potência Instantânea (kw): Potencial Mensal (kwh): Potencial Anual (kwh): Demanda atendida: Sala de aula (A/C + iluminação): 3

16 Exercícios simplificados P Wind 1 = ρ 2 A w Ex. 01: Dados do Aerogerador: Diâmetro do Rotor (m): 16 Velocidade média do vento [m/s]: 12 ρ = 1,225 kg/m³ Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40% Resultados do Aerogerador: Potência Instantânea (kw): 85,121 Potencial Mensal (kwh): ,16 Potencial Anual (kwh): ,87 Demanda atendida: Sala de aula (A/C + iluminação): 3 Ex. 02 Utilize os dados do exercício anterior: 1 Estimar consumo médio do campus da UNEMAT Sinop 2 Calcular o diâmetro do rotor para atender a demanda do campus 3 Calcular o rotor de um aerogerador para atender a demanda da própria residência com velocidade média do vento no meio urbano de Sinop na ordem de 3 m/s 4 Calcular o rotor do aerogerador da residência para atender o pico de demanda

18 Categorização das turbinas eólicas Rotores Verticais / VAWT - Forma dos Rotores verticais

19 Categorização das turbinas eólicas Rotor Darrieus Funcionamento de uma Turbina Eólica de 4 MW de acordo com o princípio de Darrieus Local: Canadá Altura: 96 m Diâmetro: 64 m Área vento: 64 m² Diâmetro do mastro 5 m. Velocidade média anual do vento a 700 km nordeste de Montreal: 9,2 m/s Início de operação: ventos de 4,5 m/s, Fim da operação: ventos de 22,5 m/s Resistencia máxima: vento de 62 m/s

20 Categorização das turbinas eólicas Rotor Horizontal / HAWT Pá Rotor Área Rotor Diametro Rotor Casa de máquina com transmissão e Gerador Esquema de uma turbina eólica com rotor de eixo horizontal Altura Rotor Torre Vista Frontal Vista Lateral

22 Características do Sistema Cut-in: Com ventos iniciais entre 2,5-4,5 m/s o freio do rotor é liberado e o aerogerador entra em operação. Atinge o coeficiente máximo de potência máxima com ventos entre 6 10 m/s. Velocidade Nominal do Vento (típico entre m/s) o equipamento atinge sua potência nominal. Cut-out: Para não sobrecarregar o gerador elétrico, o sistema é desativado quando o vento atinge velocidades entre m/s Coeficiente de Leistungsbeiwert Potência cp (1) cp [1] Auslegungswindgeschwindigkeit Anlaufwindgeschwindigkeit Cut-in Cp máximo Abschaltwindgeschwindigkeit Cut-out Coef. Pot. (1) Pot. Nom. (kw) Leistungsbeiwert cp [1] Leistung [kw] Velocidade Nominal do Vento Nennwindgeschwindigkeit Potência Nominal (kw) Leistung [kw] Enercon E 70: Equipamento com potência nominal de 2300 kw Velocidade Windgeschwindigkeit do do Vento (m/s) [m/s]

23 Estol (Stall) Perda de Eficiência / Sustentação Efeito Estol: A teoria mais simples e antiga, de Johannes Juul desenvolvida na década de 50 na Dinamarca (conhecido também como conceito dinamarquês). As condições do fluxo do ar se alteram nas pás do rotor com a velocidade do vento A partir de 14 m/s se inicia a perda de eficiência aerodinâmica (Efeito Estol) e forte turbulência nas pás do rotor. Este fenômeno aumenta com a velocidade do ar, limita e neutraliza o desempenho do equipamento quanto a potência nominal. Vento Normal Vento Forte

24 Conceito Pitch e Stall Posição Stall Posição Pitch Perda de eficiência aerodinâmica

26 Escolha do Local Classe de Rugosidade A classe de rugosidade 0" pertence a áreas com água: mar e lagos. A classe de rugosidade "1" caracteriza áreas abertas com poucos obstáculos para o vento. Isto aplica-se a terrenos muito abertos e planos ou levemente acidentados: planícies, pistas de aeroportos, grandes áreas sem árvores (arvores isoladas e de pequeno porte ou grupo de arbustos são desconsiderados). A classe de rugosidade 2" identifica áreas que tenham fragmentos de obstáculo ao vento afastados por no mínimo 1 km, inclusive casas individuais. A área é caracterizada por grandes espaços abertos, mas com eventuais barreiras ao vento. O terreno pode ser plano ou montanhoso, com algumas árvores e edifícios. A classe de rugosidade 3" carcteriza pequenas vilas, florestas, áreas agrícolas com muitas árvores, entretanto com fragmentos afastados no mínimo 100 m (cidades tem alto índice Zo).

27 Infraestrutura Para que seja realizado o transporte de turbinas eólicas muito pesadas, as estradas rurais existentes normalmente tem que ser reformadas / alargadas. A estrada é feita de areia, telas metálicas / plásticas para estabilização e pedra brita. Às vezes, essas estradas rurais são asfaltadas após a conclusão da construção.

28 Infraestrutura

29 Fundações Devido as cargas laterais é comum utilizar fundações profundas para os aerogeradores, por exemplo, estacas. Essas estacas atingem uma profundidade de 15 metros e complementam o projeto de fundações. Sobre as estacas é contruído um bloco de coroamento e uma caixa de concreto armado.

30 Fundações

31 Instalações Elétricas As turbinas eólicas são ligados entre si e a uma subestação. Os cabos são aterrados em valas com 150 centímetros profundidade. O percurso da eletricidade até a edificação: Exemplo (varia de acordo com o estudo econômico): A turbina eólica produz corrente continua a 400 V, converte na própria torre para 34,5 kv, a energia é conduzida para o transformador elevador local que aumenta a tensão para 230 kv. A eletricidade é transportada aos centros consumidores mais próximos, passa pelo transformador abaixador para distribuição primária dentro da zona urbana (em 13,8 kv ou 34,5 kv), a eletricidade passa pelo transformador de distribuição, onde a tensão é baixada para 127 ou 220 V para os consumidores nas residências e comércios ou 220 e 380 V nas industriais.

32 Transporte Para o transporte de uma grande turbina eólica são necessários, em média, sete caminhões de grande carga. O transporte das pás do rotor é realizado em uma carreta especial com 40 metros de comprimento. Por causa do comprimento extra dos veículos e do excesso de peso o transporte ocorre principalmente à noite e acompanhado por veículos batedores e da polícia.

33 Montagem A torre de um aerogerador de grande porte é constituída de três ou quatro partes. A parte inferior da torre é parafusada na caixa de concreto armado das fundações. O rotor com as pás são montadas no corpo principal da casa de máquinas e posteriormente transportado para o topo da torre com um guindaste, onde a montagem é finalizada.

34 Montage Para a montagem dos aerogeradores são utilizados 2 guindastes de grande porte. O guindaste principal pesa 500 toneladas. Ele é transportado desmontado em nove vagões de trem de carga e montado novamente no local da obra.

35 Turbina eólica com transmissão

36 Turbina eólica sem transmissão

37 Do vento para a tomada!