Curso de Energias Renováveis. Princípio de funcionamento de turbinas eólicas: parte I

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1 Curso de Energias Renováveis Ana Estanqueiro Princípio de funcionamento de turbinas eólicas: parte I Turbinas Eólicas Princípio de funcionamento 2

2 Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento 3 Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento 4

3 Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento P=1/2ρC p AV 3 5 Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento D D 6

4 Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento Forças actuantes na: a) pá/asa de uma turbina b) Forças num rotor eólico L D 7 Turbinas Eólicas: Princípio de funcionamento Variação típica de C L (a) e C D (b) de um perfil (NACA 44**) em função do ângulo de ataque 8

5 Turbinas eólicas Aspectos tecnológicos e operacionais 9 Turbinas eólicas: aspectos tecnológicos Eixo vertical vs eixo horizontal. Velocidade rotação fixa vs variável. Gerador de indução ou síncrono. Ligação à rede directa vs controlada

6 Tipos de Turbinas: Eixo horizontal e vertical Comuns Fora fabrico 11 Turbinas Eólicas HAWT: Princípio de funcionamento Dimensões e parâmetros relevantes 12

7 Turbinas Eólicas VAWT: Princípio de funcionamento Dimensões e parâmetros relevantes 13 Princípio de funcionamento Turbinas HAWT: Estrutura da nacelle e das pás 14

8 Turbinas eólicas Caracterização do 15 Caracterização do Parâmetros relevantes de projecto e caracterização de desempenho: Solidez: σ = NC πr 2 Velocidade na ponta da pá: λ = RΩ V 16

9 Caracterização do Parâmetros relevantes de projecto: Corda Espessura Torção Corda / Espessura (cm) Torção Envergadura (m) 17 Caracterização do Teoria do disco actuador (Rankine-Froude): determinação da força axial e coeficiente de potência máximo F ax 2 = m& ( V -V1 ) = ρπr V(V -V1 ) 18

10 Caracterização do Método do elemento de pá (1): 19 Caracterização do Método do elemento de pá (2): 20

11 Caracterização do Teoria de Glauert/elemento de pá: ( 1 a) 2 + r 2 Ω 2 ( 1 a ) 2 W = U ' 21 Teoria de Glauert/elemento de pá: Força axial Caracterização do df ax = 1 BCW C dr 2 ρ 2 y Binário/torque/par dq = BrdF tan g = 1 ρ W 2 2 BCC x rdr 22

12 Caracterização do Teoria de Glauert/elemento de pá: φ = α + ψ ( 1 ) Ω ( 1 ' ) W = V a + r + a tg φ = 1-a 1+a' 0 C =C sin φ-c x L D C =C sin φ+c y L D cosφ cosφ 23 Teoria de Glauert / elemento de pá: Torque/par: r 1 Qmec = dq = ρ W 0 2 Velocidade de rotação r 0 Caracterização do 2 BCC x rdr Potência no eixo C P 24

13 Caracterização do Limite de Betz: Limite máximo de potência extraível do escoamento (Betz, 1927): C = P max 16 P = max 1 2 ρav = Potência incidente 25 Graus de liberdade das pás: Caracterização do 26

14 Caracterização do desmpenho de um rotor eólico: Curva de potência ou de Cp Factor de potência (Cp) dos vários tipos de turbinas: 27 Caracterização do desmpenho de um rotor eólico: Curva de potência ou de Cp Curva de potência (caract. actual): 28

15 Tipos de Turbinas: Outros Parâmetros Regulação potência Passo fixo ( stall ) Passo variável (pitch ) Posição Rotor face à Estrutura de suporte Em frente à torre ( upwind ) Atrás da torre ( downwind ) 29 Turbinas Eólicas Aspectos tecnológicos e operacionais: Regulação de potência 30

16 Regulação de potência Passo fixo vs variável (stall vs pitch): P/P N [pu] EN kw N kw V kw E kw V [m/s] Análise comparativa da curva de potência adimensionalizada dos aerogeradores: 31 Nordex 1300 kw, Enron 1500 kw, Vestas 1750 kw e Enercon 1800 kw Turbinas eólicas Aspectos tecnológicos e operacionais: : estrutura de suporte 32

17 Estruturas de Suporte Tipos de torres: a)troços aço b)betão c)treliça d)tubular espiada 33 Estruturas de Suporte Efeito de sombra da torre: 34

18 Estruturas de Suporte Efeito de interferência da torre: 1.80E E+5 For a Axial [N] 1.20E E+4 U=4 m/s U=6 m/s U=8 m/s U=10 m/s U=24 m/s Pot ncia [kw] 3.00E E+5 U=4 m/s U=6 m/s U=8 m/s U=10 m/s U=24 m/s 1.00E E ngulo de azimute [graus] 0.00E ngulo de azimute [graus] 35 Turbinas eólicas Aspectos tecnológicos e operacionais: sistema de transmissão 36

19 Princípio de funcionamento Sistema de transmissão 1. Sistema pás e cubo (rotor eólico); 2. veio de baixa velocidade (VBV); 3. chumaceiras do VBV; 4. travão de disco/sistema de segurança; 5. união elástica 6 - caixa de velocidades; 7 - veio de alta velocidade (VAV); 8 - união elástica; 9 - gerador eléctrico 10 - ligação à rede eléctrica 37 Princípio de funcionamento Típico Equivalente de um Sistema de Transmissão T W1 ω B1, θ B1 H B D B T W2 D B H B C HB C HB d HB C HGB ω GB, θ GB C GBG ω G, θ G H H H GB H G T G ω B2, θ B2 d HB C HB d HGB d HB d GBG D G D G D H H B ω B3, θ B3 T W3 D B 38

20 Turbinas eólicas Conversão mecano-eléctrica: O gerador eléctrico (Cont. Parte II) 39