UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA FONTES NÃO CONVENCIONAIS DE ENERGIA - EÓLICA SÉRGIO VIDAL GARCIA OLIVEIRA DANIEL GUSTAVO CASTELLAIN JEFFERSON CARLOS FISHER JOINVILLE 2015

2 2 ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Potencial de energia eólica no território brasileiro... 7 Figura 2 - Mapa de ventos no território brasileiro Figura 3 - Informações BIG ANEEL Figura 4 - Componentes de um sistema eólico Figura 5 - Turbinas de eixo vertical Figura 6 - Turbinas de eixo vertical com rotor Savonious Figura 7 - Turbinas de eixo vertical com rotor Darrieus Figura 8 - Turbinas de eixo horizontal Figura 9 - Evolução das turbinas comerciais e mercado de turbinas eólicas Figura 10 - Conversão de energia eólica e emprego de conversores estáticos

3 3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO RECURSOS ENERGÉTICOS HISTÓRICO DA ENERGIA EÓLICA ENERGIA EÓLICA NO BRASIL COMPONENTES DE UM SISTEMA EÓLICO REFERÊNCIAS... 18

4 1 INTRODUÇÃO 4 O combate ao desperdício e a busca do uso eficiente das diversas formas de energia têm como principais motivadores: a economia de recursos, devido à possibilidade de postergação de investimentos em sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia; aumento de competitividade dos bens e serviços produzidos, ou ainda, a proteção e a melhoria do meio ambiente, pois grande parte das fontes utilizadas, especialmente os combustíveis fósseis, provoca poluição atmosférica e contribui para aumentar a emissão dos gases de efeito estufa [1]. A energia eólica é, basicamente, aquela obtida da energia cinética (do movimento) gerada pela migração das massas de ar provocada pelas diferenças de temperatura existentes na superfície do planeta. Não existem informações precisas sobre o período em que ela começou a ser aplicada, visto que desde a Antiguidade, dá origem à energia mecânica utilizada na movimentação dos barcos e em atividades econômicas básicas como bombeamento de água e moagem de grãos. A quantidade de energia mecânica transferida e, portanto, o potencial de energia elétrica a ser produzida está diretamente relacionada à densidade do ar, à área coberta pela rotação das pás e à velocidade do vento [1]. A evolução da tecnologia permitiu o desenvolvimento de equipamentos mais potentes. Em 1985, por exemplo, o diâmetro das turbinas era de 20 metros, o que acarretava uma potência média de 50 kw. Hoje, esses diâmetros chegam a superar 100 metros, o que permite a obtenção, em uma única turbina, de 5 MW. Além disso a altura das torres, inicialmente de 10 metros aproximadamente, hoje supera os 50 metros. No entanto, a densidade do ar, a intensidade, direção e velocidade do vento relacionam-se a aspectos geográficos naturais como relevo, vegetação e interações térmicas entre a superfície da terra e a atmosfera [1].

5 5 Assim, a exemplo do que ocorre com outras fontes, como a hidráulica, a obtenção da energia eólica também pressupõe a existência de condições naturais específicas e favoráveis. A avaliação destas condições ou do potencial eólico de determinada região requer trabalhos sistemáticos de coleta e análise de dados sobre a velocidade e o regime dos ventos [1]. Não existem estudos precisos a este respeito, mas estimativas apontam que o potencial eólico bruto no planeta seja da ordem de 500 mil TWh por ano, embora, por restrições socioambientais, apenas 10% sejam tecnicamente aproveitáveis. Ainda assim, 50 mil TWh por ano correspondem a mais de 250% da produção mundial total de energia elétrica em 2007, que foi de 18,9 mil TWh [1].

6 2 RECURSOS ENERGÉTICOS 6 Neste capítulo são apresentadas algumas das informações pertinentes à geração de energia elétrica provenientes da energia dos ventos. Além disso é apresentado alguns dados estatísticos relacionados ao Brasil e um breve descrição dos principais componentes do sistema eólico. 2.1 HISTÓRICO DA ENERGIA EÓLICA O termo eólico é originário do latim aeolicus pertencente ou relativo à Éolo - Deus dos ventos na mitologia grega - e a energia do vento, assim como a da água, foi uma das fontes de energia mais utilizadas pelo homem para realizar trabalho desde os primórdios da civilização. Restos de um barco a vela encontrados em um túmulo sumeriano, datado de 4 mil a.c., são os indícios do primeiro uso histórico da energia eólica pela humanidade, também, segundo [2], há registros de moinhos de vento no Japão em 2 mil a.c. e na Babilônia, 1700 a.c. [3]. Para a geração de eletricidade, as primeiras tentativas surgiram no final do século XIX, tendo a Dinamarca como pioneira, mas somente quase um século depois, com a crise internacional do petróleo, por volta de 1970, é que houve interesse e investimentos suficientes para viabilizar o desenvolvimento e aplicação de equipamentos em escala comercial. Já o pioneiro das turbinas eólicas de pequeno porte utilizadas para gerar energia em um sistema que carregava baterias foi Jacobs em 1931 [3]. 2.2 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL O Brasil é favorecido em termos de ventos, que se caracterizam por uma presença duas vezes superior à média mundial e pela volatilidade de 5% (oscilação da velocidade), o que dá maior previsibilidade ao volume a ser produzido. Além

7 7 disso, como a velocidade costuma ser maior em períodos de estiagem, é possível operar as usinas eólicas complementarmente com as usinas hidrelétricas, de forma a preservar a água dos reservatórios em períodos de poucas chuvas [1]. Os Parques Eólicos Osório, Sangradouro e dos Índios, que compõem o empreendimento de Osório, possuem, individualmente, 25 turbinas com potência de 2 MW (o que totaliza a potência de 50 MW por parque), 70 metros de diâmetro e 100 de altura. Os projetos construídos anteriormente foram, no entanto, todos de pequeno porte e experimentais. A Figura 1 apresenta o potencial eólico do território brasileiro. Figura 1 - Potencial de energia eólica no território brasileiro. Fonte: Figura obtida de [1]. A produção de eletricidade a partir da fonte eólica alcançou 2.176,6 GWh em Isto representa um aumento em relação do ano anterior (75,8%), quando se alcançou GWh [1].

8 Em 2010 a potência instalada para geração eólica no país aumentou 54,1%. Segundo o Banco de Informações da Geração (BIG), da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o parque eólico nacional cresceu 326 MW, alcançando 928 MW ao final de 2010, em decorrência da inauguração de catorze parques eólicos. Dentre os novos parques eólicos se destacam quatro com potência instalada superior a 40 MW: Volta do Rio, Bons Ventos e Canoa Quebrada (respectivamente 42 MW, 50 MW e 57 MW, todos no Ceará), além do empreendimento Alegria I (51 MW, no Rio Grande do Norte) [1]. A Figura 2 apresenta um mapa de ventos no território brasileiro. Figura 2 - Mapa de ventos no território brasileiro. 8 Fonte: Figura retirada de [1]. A sua criação faz parte de um programa da ANEEL que visa universalizar e uniformizar as informações, dando pleno conhecimento aos agentes do mercado, investidores estrangeiros e nacionais, autoridades governamentais, bem como a sociedade em geral, sobre a geração de energia elétrica no Brasil. A ANEEL criou o Banco de Informações de Geração

9 9 (BIG) para divulgar, "on-line", uma série de dados que a Agência reúne sobre o parque gerador brasileiro. A Figura 3 apresenta algumas informações do BIG da ANEEL. Figura 3 - Informações BIG ANEEL. Fonte: Figura obtida de [4]. 2.3 COMPONENTES DE UM SISTEMA EÓLICO

10 Os sistemas eólicos são divididos em dois grandes grupos: sistemas de grande potência e sistemas de pequena potência. O que difere um do outro, além da capacidade de geração, é o fato de que os mesmos são compostos por diferentes componentes, apesar de que, de modo geral, ambos são formados pelos mesmos blocos, como apresentado na Figura 4. Figura 4 - Componentes de um sistema eólico. 10 Fonte: Figura obtida de [3]. Os aerogeradores, também conhecidos na literatura como WTG (Wind Turbine Generator), são as máquinas que convertem a energia do vento em energia elétrica. Existem WTGs que combinam uma variedade de conceitos inovadores provados tecnologicamente tanto para os geradores quando para a eletrônica de potência envolvida. Entre os principais componentes de sistema eólico, destacam - se a torre e o rotor. A torre é o elemento que sustenta o aerogerador e deve ser bem projetada já que será sujeita a grandes esforços provenientes da força axial que as

11 11 hélices sofrem. Os rotores eólicos são os mecanismos mais importantes do sistema e são os responsáveis por capturar a energia cinética dos ventos e entregá-la ao eixo do gerador elétrico. Além disso, duas formas construtivas básicas são conhecidas no projeto de uma turbina eólica: as turbinas de eixo horizontal e as turbinas de eixo vertical. As turbinas de eixo vertical são menos populares devido ao baixo aproveitamento da energia do vento, mas foram muito usadas no passado por apresentarem vantagens específicas em sua estrutura. Estão restritas aos sistemas de baixa potência e à instalações em áreas urbanas devido à produção de baixo ruído e a sua capacidade única de aproveitar ventos turbulentos. Há vários modelos de turbinas de eixo vertical, sendo que os principais e mais conhecidos são os modelos Savonious e Darrieus. A Figura 5 apresenta alguns exemplos de turbinas de eixo vertical. Figura 5 - Turbinas de eixo vertical. Fonte: Figura obtida de [3]. O rotor Savonious, criado na Finlândia por S. J. Savonious é um tipo de rotor muito simples que consiste de placas arqueadas em forma de meios cilindros acoplados a um eixo. Esses modelos foram muito utilizados no passado para bombeamento de água, pois são de baixo custo, simples construção e instalação, porém seu rendimento é o menor entre as turbinas (< 30%). Existem modelos de turbinas horizontais

12 baseadas no modelo do rotor de Savonious. A Figura 6 apresenta alguns exemplos de turbinas verticais com rotor Savonious. Figura 6 - Turbinas de eixo vertical com rotor Savonious. 12 Fonte: Figura obtida de [3]. O rotor Darrieus, patenteado em 1931 pelo francês Georges Jean Marie Darrieus ( ) nos Estados Unidos, tem a forma de batedeira e já foi muito usado para a geração de eletricidade. Possui o maior rendimento entre as turbinas de eixo vertical, e suas pás são construídas utilizando-se perfis aerodinâmicos. A desvantagem dessa turbina é a necessidade de um alto conjugado de partida. Existem modelos de turbinas horizontais baseadas no modelo do rotor de Darrieus também. A Figura 7 apresenta alguns exemplos de turbinas verticais com rotor Darrieus. Figura 7 - Turbinas de eixo vertical com rotor Darrieus. Fonte: Figura obtida de [3].

13 13 As turbinas de eixo horizontal apresenta a maior parte das turbinas modernas apresenta esse tipo de eixo, e existem em diversos tamanhos e modelos, tanto para pequenas como para grandes potências. O rendimento dessas turbinas pode alcançar até 50% por cento, e sua forma construtiva difere basicamente no que se refere ao número de hélices, possuindo quatro topologias distintas: turbinas de uma, duas ou três pás, e ainda as turbinas multipás, também conhecidas como cata - ventos. A disposição de eixo horizontal necessita de mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente onde se tenha muita mudança na direção dos ventos. A Figura 8 apresenta alguns exemplos de turbinas de eixo horizontal. Figura 8 - Turbinas de eixo horizontal. Fonte: Figura obtida de [3]. O rotor multipás representa boa parte das instalações eólicas de pequena potência, tendo sua maior aplicação no bombeamento de água. Como característica, destaca - se a boa relação torque de partida por área de varredura do rotor, mesmo para ventos fracos. Em contrapartida, seu melhor rendimento encontra - se nas baixas velocidades, limitando a potência máxima extraída por área do rotor, fazendo com que esse rotor seja pouco indicado para geração de energia elétrica. Os rotores de uma, duas e três pás são os mais eficientes no que se refere ao melhor aproveitamento do vento e são eles que constituem as modernas turbinas eólicas. Os de pá única,

14 requerem um contrapeso para eliminar a vibração, e isso é o que limita o seu uso; já os de duas pás, são muito usados por serem simples, resistentes e mais baratos do que os de três pás, pois necessitam menos material em sua construção. Porém, os de três pás, distribuem melhor as tensões quando a máquina gira durante mudanças de direção do vento. Com esta vantagem, as turbinas de 3 pás são as mais modernas, consolidadas e são usadas no mundo todo, tanto em parques eólicos quanto em sistemas isolados, de baixa ou de alta potência. Os geradores elétricos são os responsáveis por converter a energia mecânica de rotação entregue em seu eixo pelo rotor eólico em energia elétrica. Diversas são as topologias de geradores utilizados em geração eólica, abrangendo praticamente todas as máquinas conhecidas, desde as clássicas até as mais modernas. A máquina CC é usada para se dispensar o uso de conversores CA-CC, por esta conversão ser feita internamente por comutadores mecânicos. Este tipo de máquina possui baixo rendimento e requer muita manutenção e, em razão disso, foi usada somente em sistemas de baixa potência até os anos 1980, pela facilidade de controle. A maior parte da potência consumida no mundo é gerada por geradores síncronos, sendo essa máquina muito consolidada e estabilizada. Para uma velocidade fixa, ela mantém uma freqüência também fixa, logo é muito aconselhada para o uso em parques eólicos que trabalham com velocidade fixa. A principal desvantagem da máquina síncrona é o fato de ela requerer uma corrente contínua para excitar o campo de excitação do rotor, como na máquina CC. A máquina de indução apresenta a maior parte da potência elétrica nas indústrias consumida por esse tipo de máquina; por essa razão, é uma tecnologia muito bem estabilizada. A primeira vantagem dessa máquina está na possibilidade de ser construída sem o uso de escovas e de não 14

15 15 precisar de campo de excitação CC. É uma máquina de baixo custo, necessita pouca manutenção e pode possuir alto desempenho; por essas razões, são usadas comumente em grandes e pequenos sítios eólicos e em plantas hidroelétricas de pequena potência. A máquina de indução necessita uma corrente de excitação CA, podendo ser auto - excitada ou excitada externamente. Quando ligada à rede, a excitação é feita pela própria linha. O gerador, neste caso, precisa ser capaz de suprir potência reativa. A necessidade de operação com velocidade variável fez com que as máquinas síncronas fossem muito solicitadas; porém, devido ao problema de campo já citado, a escolha natural foi pelas máquinas síncronas a ímã permanente, mais conhecidas por PMSM (Permanent Magnet Synchronous Machine). A aplicação de velocidade variável nos PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) possibilita aumentar a energia capturada do vento, resolve problemas com ruído acústico e melhora a eficiência. Por exemplo, se uma caixa de redução ou multiplicadora (gearbox) é usada em um sistema eólico, produzirá ruído, perdas de potência por atrito, aumentará o custo, ocorrerá possibilidade de falhas e manutenção. Com o objetivo de apresentar a evolução das turbinas comerciais e o mercado de turbinas eólicas, a Figura 9 apresenta essas informações. A eletrônica de potência tem importante papel no controle das características elétricas das turbinas eólicas. Para o carregamento de baterias, por exemplo, os conversores CC-CC são usados para modificar a carga elétrica a fim de maximizar a energia gerada. Há várias topologias para satisfazer este propósito, sendo as principais: Conversor abaixador Buck; Conversor elevador Boost; Conversor abaixador-elevador Buck-Boost; Conversor abaixador-elevador SEPIC. Esses conversores ainda são conectados a conversores CA-CC, geralmente pontes retificadoras. A característica que o

16 conversor possui de variar a razão cíclica a fim de rastrear o ponto de máxima potência (MPPT Maximum Power Point Tracker) é o que justifica o seu uso. O conversor muda a tensão contínua ou corrente vista pelo gerador, controlando-a para que se maximize a potência produzida. Figura 9 - Evolução das turbinas comerciais e mercado de turbinas eólicas. 16 Fonte: Figuras obtidas de [6] e [7].

17 17 Para a conversão da energia eólica é necessário o emprego de conversores estáticos como mencionado anteriormente. Para isso, existe alguns tipos de arranjo envolvendo o o processamento total de energia e o processamento parcial de energia. Além disso, existe a necessidade de um sistema de controle para o processamento de potência ativa e reativa do sistema de geração. A Figura 10 apresenta os tipos de arranjo empregando a eletrônica de potência. Figura 10 - Conversão de energia eólica e emprego de conversores estáticos. Fonte: Figuras obtidas de [7].

18 3 REFERÊNCIAS 18 [1].ANEEL (Brasil). Atlas de energia elétrica do Brasil / Agência Nacional de Energia Elétrica. 3ed. Brasília : Aneel, p. [2].DUNN, P. Renewable Energies. London : Peter Peregrinus Ltd, [3].TIBOLA, Gabriel. Sistema eólico de pequeno porte para geração de energia elétrica com rastreamento de máxima potência. Dissertação (Mestrado). Disponível em: Dissertacao_Gabriel_Tibola.pdf. Acessado em: 26/03/2012. [4].ANEEL(Brasil). BIG- Banco de Informações de Geração. Disponível em: CapacidadeBrasil.asp. Acessado em: 22/04/2015. [5].JOE, Arizona State University; Disponível em: /blog/article/ /here-goes-please-comment Acessado em: 25/03/2012. [6].UGE, Urban Green Energy. Disponível em: urbangreenenergy.com. Acessado em: 26/03/2012. [7].BLAABJERG, F; LISERRE, M; Ke Ma. Power Electronics Converters forwind Turbine Systems. IEEE, Industry Applications Transactions on. vol. 48. no. 02, march-april, p