PEA ENERGIA EÓLICA FUNDAMENTOS E VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA. Aula 5: Turbina eólica: Componentes Formas de Conexão

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1 PEA ENERGIA EÓLICA FUNDAMENTOS E VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA Aula 5: Turbina eólica: Componentes Formas de Conexão

2 Componentes de um aerogerador de eixo horizontal Pás + Rotor Transmissão Mecânica Gerador Elétrico (Conversor) Sistema de Controle e freio Sistema Estrutural - torre Sistema de refrigeração Sistema de monitoramento Controle Proteção Nacele Torre

3 Existem algumas opções de configuração relacionadas ao projeto de uma turbina e que são escolhidas conforme estudos técnicos e econômicos: número de pás do rotor; orientação do rotor com relação à torre; material em que são feitas as pás, método de construção, perfil do aerofólio; projeto do cubo: rígido, flexível, em balanço; controle do torque aerodinâmico: estol e controle de passo; velocidade do rotor: fixa ou variável; orientação do rotor com relação à direção do vento: livre ou mecanismo ativo (yaw); gerador elétrico: síncrono ou assíncrono (gaiola de esquilo ou rotor bobinado); multiplicação de velocidade do rotor: com caixa de engrenagem (eixo paralelo ou planetário), sem caixa de engrenagem (acoplamento direto do gerador elétrico ao eixo de baixa rotação).

4 Rotor eólico : Pás, cubo do aerogerador, mecanismos de controle de passo Pás: Aspectos considerados no projeto: aerodinâmico, estrutural Fatores que influenciam no projeto aerodinâmico: Potência e velocidade nominal Pm 1 ρ 3 P m = Torque (T) (Newton-metro) x Velocidade = Av Cp angular (w) 2

5 Razão de velocidade de ponta de pá λ = RV = ωr V 1 Solidez aerofólio S= área sólida das pás / pela área formada pela rotação das pás Formatos de pás a,b,c aerofólio assimétrico d aerofólio simétrico

6 Número de pás Em função da técnica empregada atualmente na fabricação das pás, tornase vantajoso ter um número menor de pás, tendo em vista que o custo da turbina eólica fica reduzido. Comparando o desempenho das turbinas de uma, duas e três pás, esta última possui a maior eficiência. Razões tais como maior estabilidade, momento polar de inércia constante com relação ao movimento de guinada do rotor, menor velocidade rotacional para uma mesma produção de energia, menor ruído e sistema menos complexo para absorver os impactos das cargas (forças) do rotor com a turbina fazem com que turbinas de três pás sejam as mais usadas na atualidade

7 Controle de potência do rotor O método empregado para controlar a potência (estol ou controle de passo) tem um efeito significante no projeto das pás, particularmente no que diz respeito à escolha do aerofólio. Orientação do rotor A orientação do rotor com relação à torre tem efeito na geometria das pás, mas de uma forma secundária, relacionada à inclinação das pás com relação ao plano de rotação

8 No que tange ao projeto estrutural, dois aspectos são considerados: os tipos de materiais usados na fabricação das pás e os processos de fabricação utilizados. Materiais utilizados: madeira aço Alumínio materiais compostos: fibra de vidro com resina poliéster; fibra de vidro com fibra de carbono; madeira com epoxi, fibra de carbono

9 Quanto ao processo de fabricação, existem alguns métodos empregados que se baseiam na obtenção de uma pá com estrutura rígida e leve cuja forma externa corresponda ao perfil aerodinâmico projetado Seção transversal de uma pá feita de fibra de vidro A análise estrutural do rotor é feita com base na identificação das propriedades das pás, tais como peso total, distribuição da massa e rigidez e momento de inércia. Aspectos importantes a serem vistos são: resistência das pás, sua tendência a defletir sob carga, sua frequência natural de vibração e sua resistência à fadiga

10 Algumas pás de turbinas eólicas possuem equipamentos integrados à sua estrutura, os quais têm a propriedade de modificar sua superfície e, portanto, controlar seu perfil aerodinâmico spoiler Freios aerodinâmicos

11 Outros aspectos relativos ao projeto das pás: Conexão ao cubo Proteção contra descargas atmosféricas Sistema de aquecimento

12 ROTOR: CUBO CUBO: Função: conecta as pás ao eixo principal Tipos: Material: aço fundido ou forjado rígido articulado em balanço

13 Rotor: Mecanismo de controle de passo

14 Sistema de transmissão - da turbina eólica é composto por todos os componentes de rotação da máquina que se situam dentro da nacele. São eles: eixo principal, caixa de engrenagem, acoplamentos, freios e gerador elétrico

15 SISTEMA DE SEGURANÇA : FREIOS Função: parar a turbina ou deixá-la estacionada quando não estiver operando. Tipos: freio de disco: pressão hidráulica ativada por uma bomba hidráulica embreagem ativado por uma mola que aplica pressão. Para alívio de pressão, usa-se sistema hidráulico ou pneumático. Neste último tipo, tornase necessário um compressor de ar e um tanque de armazenamento freio aerodinâmico instalado na ponta das pás Localização: na caixa de engrenagens ( do lado de alta ou baixa velocidade) No eixo de alta velocidade: em ambos os lados do gerador elétrico

16 Multiplicador de velocidade - engrenagens Gear box Função: transferir torque de um eixo ao outro; aumentar a velocidade no eixo do gerador elétrico Material : aço Devido a aspectos financeiros e operacionais (peso e custo) o gerador elétrico deve funcionar com alta velocidade de rotação Em virtude de questões mecânicas (vibração e empuxo) a velocidade de rotação do rotor da turbina eólica deve ser limitada entre 15 a 200 RPM Para turbinas de grande porte a relação de transformação é da ordem de 40

17 RELAÇÃO DE MULTIPLICAÇÃO Potência: Q1Ω 1 = Q2Ω 2 A razão entre as velocidades das duas engrenagens Ω / Ω 1 2, é inversamente proporcional ao número de dentes de cada engrenagem, N 1 /N 2. Este último proporcional ao diâmetro da engrenagem. k 1 J 1 1 k 2 n Sistema de engrenagens Ω Ω 1 2 = N N 2 1 J 2 J inércia K rigidez n razão entre as velocidades dos eixos 1 e 2 engrenagens Q torque Ω rotação

18 SISTEMA DE TRANSMISSÃO = gearboxes EIXOS PARALELOS SISTEMA PLANETÁRIO

19 EIXO PRINCIPAL eixo de baixa velocidade

20 Algumas configurações de montagem do eixo principal no trem de acionamento.

21 Gerador elétrico gerador de corrente contínua (CC); gerador de imã permanente; gerador síncrono; gerador de indução.

22 GERADOR CC CORRENTE CONTÍNUA Historicamente usado em : aplicações isoladas (turbinas de pequeno porte) para carregar baterias, alimentação de cargas cc e acoplamento em redes CA elevado custo exige muita manutenção

23 Aplicação do gerador de imã permanente Em pequenos aerogeradores: até 10 kw, atualmente está se preferindo o uso de geradores de ímã permanente conectado á rede via conversor. Gerador de imã permanente Desvantagem: custo AC Retificador Inversor sofre desmagnetização quando inseridos em campos magnéticos intensos Mais recentemente usado em turbinas de maior potência Cargas CC Cargas CA

24 GERADOR SÍNCRONO Rotor gira com velocidade constante sincronizada com a velocidade do campo girante no interior do estator Requer corrente CC para excitação de campo e conseqüentemente escovas de carbono e anéis deslizantes no rotor Aplicação: turbinas de grande porte conectadas a rede elétrica conjunção com conversores eletrônicos em turbinas de velocidade variável aplicações isoladas usando imã permanente com aplicação em CC usando retificadores controle de tensão e fonte de potência reativa redes isoladas

25 estator GERADOR SÍNCRONO rotor Gerador síncrono com imã permanente no rotor Gerador síncrono com bobinas alojadas no rotor alimentada com uma corrente CC

26 Gerador síncrono Vantagens Melhor rendimento Não necessita de fonte externa de reativos Desvantagem Necessitam de equipamentos adicionais (reguladores de tensão e velocidade ) para manter o sincronismo com a rede Maior custo

27 Gerador de 4 polos Alteração da velocidade de rotação A maioria dos geradores usados em turbinas eólicas possui 4 ou 6 pólos. A razão de usar velocidades altas é a redução de tamanho e custo Velocidade dos geradores síncronos - RPM Número de pólos 60 Hz

28 GERADOR ASSÍNCRONO OU DE INDUÇÃO O tipo de gerador mais usado em geração eólica Tipo : gaiola de esquilo rotor bobinado (usado em turbinas de velocidade variável) Gaiola de esquilo Rotor bobinado

29 GERADOR DE INDUÇÃO VANTAGENS: menor custo possui propriedades mecânicas úteis para aplicação em geração eólica DESVANTAGENS Consumo de reativos Duas velocidades, Mudança de pólos do gerador Alguns fabricantes usam numa mesma turbina, dois geradores: um pequeno para períodos de ventos fracos e outro de maior capacidade para períodos de vento forte. Outra alternativa é usar um gerador com possibilidade de alterar o número de pólos, e portanto diferentes velocidades

30 ESPECIFICAÇÃO DOS GERADORES Lista resumo das considerações chaves do ponto de vista do projetista de turbinas eólicas Velocidade de operação Eficiência em carga plena e parcial Fator de potência e fonte de potência reativa (máquinas de indução) Regulação de voltagem (máquinas síncronas) Método de partida Corrente de partida (máquinas de indução) Sincronização (máquinas síncronas) Tamanho da nacele e peso do gerador Tipo de isolamento Proteção contra ambientes externos Habilidade para acomodar flutuações de torque Remoção de calor Praticidade para uso de múltiplos geradores

31 VOLTAGEM DO GERADOR Turbinas de grande porte (acima de 100 kw), a voltagem gerada pela turbina é usualmente Volts trifásica Rede 69 kv gerador Necessita de Sistema de refrigeração: Tipos: a ar (ventilador) ou a água (necessita de radiador)

32 MECANISMO DE GUINADA Yaw system Função: colocar as pás sempre alinhadas com a direção do vento (direção perpendicular a área formada pelo giro das pás do rotor) Tipos de mecanismo: ativo e livre Consiste: motor elétrico, engrenagens para redução de velocidade O mecanismo é controlado usando um sinal de erro como entrada. Este sinal é monitorado por um sensor de direção (leme)

33 ESTRUTURA PRINCIPAL E NACELE Nacele : compartimento que aloja os principais componentes ( exceto rotor) da turbina. Inclui estrutura principal e cobertura Estrutura principal: estrutura na qual caixa de engrenagens, gerador e freios são fixados. Proporciona uma estrutura rígida para manter os equipamentos alinhados. Também proporciona um ponto de fixação dos rolamentos do mecanismo de guinada, que por sua vez é montada no topo da torre Cobertura da nacele: proteção dos equipamentos contra o sol, a chuva, gelo e neve. Material: Fibra de vidro. A altura deve ser tal para permitir entrada de técnicos para dar manutenção

34 Nacele

35 Treliçada SUPORTE ESTRUTURAL - Torre Material : concreto, aço Peso: 40t, 50 metros, 600kW metros Tubular estaiada

36 FATORES RESTRITIVOS AO PROJETO DA TORRE Estético Econômico Aerodinâmico Estrutural posicionamento das pás - fadiga regime esperado de vento fatores climáticos facilidade de acesso disponibilidade de equipamento para transporte e içamento Qual altura da torre a ser escolhida?

37 MONTAGEM

38 FUNDAÇÃO

39 Fundação

40 FORMAS DE CONEXÃO A REDE diretamente Indiretamente por meio de conversores Vantagens da conexão indireta: gerador síncrono gerador assíncrono Desvantagem a turbina pode funcionar com velocidade variável controle de reativos maior produção de energia custo Perdas de energia no conversor introdução de harmônicas

41 Sistema integrado à rede elétrica

42 CONFIGURAÇÕES DE SISTEMAS Gerador conectado diretamente à rede elétrica operando com velocidade fixa: a) gerador assíncrono de gaiola b) Gerador síncrono com excitação independente

43 Gerador conectado à rede elétrica através de um conversor a) Gerador assíncrono de gaiola b) gerador síncrono com excitação independente

44 Gerador assíncrono trifásico de rotor bobinado duplamente alimentado com escovas

45 Gerador síncrono trifásico conectado à rede por conversor sem multiplicador de velocidade a) Gerador síncrono com excitação independente b) Gerador síncrono com imãs permanentes