Energia Eólica. Prof. Titular Departamento de Engenharia Elétrica - UFMG CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS DE TURBINAS EÓLICAS

Transcrição

1 Energia Eólica Prof. Selênio Rocha Silva Prof. Titular Departamento de Engenharia Elétrica - UFMG CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS DE TURBINAS EÓLICAS 07/04/013 1

2 Porque todos tropeçamos em muitas coisas. Se alguém não tropeça em palavra, o tal é perfeito, e poderoso para também refrear todo o corpo. Tiago 3: 07/04/013

3 Desenvolvimentos em Turbinas Eólicas 07/04/013 3

4 Maior pá de turbina(61.5 m) 07/04/013 4

5 TURBINAS EÓLICAS 07/04/013 5

6 ENERGIA E POTÊNCIA EÓLICA E P e e Volume Área = 1 = 1 ρv ρv 3 07/04/013 6

7 TURBINAS EÓLICAS P ext m = = m( v ρav 07/04/013 7 b v d )

8 TURBINAS EÓLICAS (limite de Betz) d d 1 d b 1 ext d b ) v (v ) v (v A ) v (v Av P ) v (v v + ρ = ρ = + = extmax 3 1 d d d ext Av P v v se v v 1 v v 1 Av P ρ = = + ρ = LIMITE DE BETZ = Cp vale 16/7 = 59,3%!!!!!!!!!!!!!!! 07/04/013 8

9 TURBINAS EÓLICAS FORÇAS AERODINÂMICAS: Arrasto : força na direção do vento Sustentação : força na direção ortogonal ao vento vento vento ARRASTO SUSTENTAÇÃO 07/04/013 9

10 07/04/ TURBINAS EÓLICAS FORÇAS AERODINÂMICAS: Arrasto(drag) : força na direção do vento Sustentação (lift): força na direção ortogonal ao vento α = baixo α = médio <10 degrees α= ângulo de ataque: ângulo em que o vento atinge o perfil α = altol!!

11 TURBINAS EÓLICAS Borda de fuga Borda de ataque c = corda do perfil Perfis aerodinâmicos: NACA = biconvexo; Gottingen = planoconvexo; outros. 07/04/013 11

12 FORÇAS AERODINÂMICAS: α = Ângulo de ataque TURBINAS EÓLICAS f r = f ( α).senφ f ( α).cosφ ft= f ( α).cosφ+ f ( α). senφ L D 07/04/013 1 L D

13 TURBINAS EÓLICAS As forças de arrasto e sustentacao f D e f L estao expressas por unidade de comprimento de pa f L ( α) = ρ.c V rel C L ( α) f D ( α) = ρ.c V rel C D ( α) 07/04/013 13

14 TURBINAS EÓLICAS Solidez de uma turbina eólica: σ= n.c 0.7πD É uma medida da quantidade de material que existe nas pás da turbina em relação à área varrida pelas pás, considerando o diâmetro a 70% do eixo. Turbinas modernas possuem solidez de 5%! Neste sentido as turbinas eólicas são grande concentradores de energia. 07/04/013 14

15 TURBINAS EÓLICAS: Classificação Quanto ao porte: Pequenas turbinas (até 30kW); Grandes turbinas (entre 30 kw e 1 MW); Turbinas Multimegawatts (acima 1 MW). Quanto ao eixo de rotação: Eixo Vertical Eixo Horizontal 07/04/013 15

16 TURBINAS EÓLICAS: Classificação Quanto ao número de pás: Monópteros; Duas pás; Três pás; Multipás. Quanto à direção do vento: Upwind Downwind 07/04/013 16

17 TURBINAS EÓLICAS: Classificação Quanto ao controle de potência: Pela aerodinâmica em pá fixa ( stall control ); Pela aerodinâmica em pá móvel ( controle do passo = pitch control ); Pelo leme ( yaw control ). Quanto à operação: Velocidade constante; Velocidade variável. 07/04/013 17

18 TURBINAS EÓLICAS: Classificação Off-shore 07/04/013 On-shore 18

19 TURBINAS EÓLICAS Turbina Savonius Predomina o arrasto; Alta solidez e baixa rotação; Baixa eficiência (C pmax =10%); Utilizado em aplicações mecânicas e entreterimento; Simples construção; Inadequada para geração de eletricidade. 07/04/013 19

20 TURBINAS EÓLICAS Turbina Darrieus Predomina a sustentação; Turbina de baixa solidez; Alta rotação e eficiência; Não tem partida autônoma; Esforçosmecânicosseverossobreas pás; Frenagem complexa 07/04/013 0

21 TURBINAS EÓLICAS Turbinas de Eixo Horizontal: Turbinas de pequeno porte Domina as forças de sustentação; Turbinasde duasoutrêspás; Alta eficiênciae rotaçõesentre 100 e 300 rpm; Aplicações isoladas. 07/04/013 1

22 TURBINAS EÓLICAS Turbina de Eixo Horizontal: Turbinas MultiMW Dominam as forças de sustentação; Baixa rotação(menor que 50rpm); Alta eficiência(c pmax >40%); Campo de grande desenvolvimento tecnológico. 07/04/013

23 TURBINAS EÓLICAS Turbina de Eixo Horizontal: Turbinas Antigas 1. Multipás: Tecnologiado século18 (conquista do oeste americano);. Moinho Holandes: século 18 Baixa eficiência(< 0%); Baixa rotação; Aplicações mecânicas. 07/04/013 3

24 07/04/013 4 TURBINAS EÓLICAS Anemômetro e Diretor de vento Sistema de controle e comando Gerador elétrico Caixa de transmissão Freio Torre Cubo Pás

25 TURBINAS EÓLICAS 07/04/013 5

26 TURBINAS EÓLICAS 07/04/013 6

27 07/04/013 7 CARACTERÍSTICAS DE TURBINAS EÓLICAS Relação de Velocidades: λ = Ângulo de passo:β w.r V Coeficiente de potência: ( λ β) C P ( λ, β ) = F, Coeficiente de conjugado: C = q C p ( λ, β ) λ

28 07/04/013 8 TURBINAS EÓLICAS Características Cp e Cq: C p = 0 em λ= 0e λ =λmax MáximoCpocorreemum valor particular de λ=λ o MáximoCqocorreemum valor particular de λ=λ Qmax

29 07/04/013 9 TURBINAS EÓLICAS ( ) 3, V P= λ β p 1 ρπ. RC P max = 1 ρπr C p max V 3 = 1 ρπr λ 3 o 5 C p max ω 3

30 07/04/ TURBINAS EÓLICAS (Limitação de Potência) Controles aerodinâmicos: Função: limitara potênciageradaa partirde umadada velocidade de vento; Controle por estol: Controle passivo; Reduçãoautomáticadasustentaçãopelodescolamentodo escoamento do perfil. Controledo ângulode passo: Controleativomovimentandoa posiçãodo perfilno planode giro das pás.

31 07/04/ TURBINAS EÓLICAS (Limitação de Potência) Impactoda variaçãodo ângulode passonacurvacp:

32 07/04/013 3 TURBINAS EÓLICAS: Características Idealizadas V C = 0,6V m V R = 1,5-1,75V m V F = 3V m

33 TURBINAS EÓLICAS C C p p 07/04/013 33

34 TURBINAS EÓLICAS Características Operacionais de Algumas Turbinas Modernas Turbinas E8 e E48 da Enercon (instaladas em Osório e Rio de Fogo, respec.) 07/04/013 34

35 TURBINAS EÓLICAS Características Operacionais de Algumas Turbinas Modernas Turbinas MW Suzlon (instaladas em Canoa Quebrada, Rio Choró, 07/04/013 Taiba e Paracuru) 35

36 APROVEITAMENTO DA ENERGIA EÓLICA V cut-in V cut-out 07/04/013 36

37 Muito obrigado 07/04/013 37