AEROGERADORES. Daniel Faro - CXSD

Transcrição

1 AEROGERADORES Daniel Faro - CXSD

2 CONTEÚDO CAPÍTULO 1: Evolução histórica e situação atual da energia eólica no mundo CAPÍTULO 2: Histórico da energia eólica no brasil e situação atual CAPÍTULO 3: Potencial eólico CAPÍTULO 4: Conversão da energia cinética do vento CAPÍTULO 5: Tecnologia dos aerogeradores CAPÍTULO 6: Certificação e avaliação de desempenho de aerogeradores CAPÍTULO 7: Impactos ambientais

3 CAPÍTULO 1: EVOLUÇÃO HISTÓRICA E SITUAÇÃO ATUAL DA ENERGIA EÓLICA NO MUNDO

4 INTRODUÇÃO Energia Eólica Conversão de energia cinética do vento em outra forma de energia; Provem a ação combinada da radiação solar com o efeito da rotação da terra; Utilizada há mais de 3000 anos; Fotos e imagens (2011) Olhares (2011) F.R. Martins, R.A. Guarnieri, E.B. Pereira (2007) Fronteira aberta (2011)

5 INTRODUÇÃO A aplicação que vem tornando mais importante o aproveitamento da energia eólica é a geração de energia elétrica através do uso de aerogeradores; Firmas (2011) Exame (2011) F.R. Martins, R.A. Guarnieri, E.B. Pereira (2007) Skyscrapercity (2011)

6 Fonte: DEWI, 2010

7 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Primeiro catavento para geração de energia elétrica Charles Brush 12 kw 1888 USA A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva (2010)

8 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Poul La Cour s o pioneiro na Dinamarca 1891 Eletrolise: Hidrogênio Lâmpadas a gás Escolas em Askov Diâmetro 20 metros kw E. Hau (2005)

9 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Poul La Cour s Primeiro curso de Engenheiros eólicos na Dinamarca Primeira turma 1904 A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva (2010

10 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Turbina Russa Wime D-30 em Balaklava, Diâmetro 30 m, Potência nominal 100 kw, 1931 E. Hau (2005)

11 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Projeto ambicioso MAN-Kleinhenz Alemanha, Diâmetro 130 m, Potência nominal kw, 1942 E. Hau (2005)

12 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Jacobs wind charger Primeiro nos EUA, Diâmetro 4 m, Potência nominal 1,8 a 3 kw) 1932 E. Hau (2005)

13 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Aerogerador Best-Romani, França Diâmetro 30.1 m, Potência nominal 800 kw, 1958 E. Hau (2005)

14 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Aerogerador W-34, Alemanha, Diâmetro 34 m, Potência nominal 100 kw, E. Hau (2005)

15 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Depois da crise: Duas pás MOD-1 Diâmetro 61 m, Potência nominal 2000 kw, General Electric, USA, 1979 E. Hau (2005)

16 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Monopteros, Alemanha Diâmetro 48 m, Potência nominal 600 kw, 1985 E. Hau (2005)

17 EVOLUÇÃO HISTÓRICA Aerogerador Darrieus, 4 MW, Canadá, 1987 E. Hau (2005)

18 EVOLUÇÃO HISTÓRICA ENERCON E MW Altura do cubo: 135 m Diâmetro de rotor: 127 m Diâmetro base torre: 14,5 m Lançada em 2007 numa verão de 6MW 34 unidades operacionais

19 Diâmetro do rotor (m) EVOLUÇÃO DO TAMANHO DOS AEROGERADORES Principais Parques Eólicos Implementados e Projeções CRESEB (2008) kw Aerogeradores de Série Protótipos 1,500 kw 2,500 kw 5,000 kw kw 500 kw 300 kw 50 kw Ano

20 DIMENSÕES Fonte: NUTEMA, 2007

21 INTRODUÇÃO

22 Capacidade Instalada (GW) CENÁRIO MUNDIAL DA ENERGIA EÓLICA Potência Total no Final de 2012 (MW) 1. China EUA Alemanha 4. Espanha 5. India 8. Reino Unido 7. Itália 8. França 9. Canada 10. Portugal 11. Dinamarca 12. Suécia 13. Japão 14. Australia 15. Brasil 16. Polônia 17. Holanda 18. Turquia 19. Romenia 20. Irlanda China 2. EUA 3. Alemanha 4. India 5. Reino Unido 6. Itália 7. Espanha 8. Brasil 9. Canada 10. Romenia 11. Polonia 12. Suécia 13. México 14. Turquia 15. França 16. Austália 17. Austria 18. Dinamarca 19. Portugal 20. Irlanda Potência Adicionada em 2012 (MW) China 80 EUA Alemanha 70 Espanha 60 India China 50 EUA 40 Alemanha Espanha 30 India

23 CENÁRIO MUNDIAL - FABRICANTES Fonte: BTM CONSULT

24 CAPÍTULO 2: HISTÓRICO DA ENERGIA EÓLICA NO BRASIL E SITUAÇÃO ATUAL

25 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL Instalação de Protótipo de 100kW Ano: 1984 Projeto DEBRA (Deutschland + Brasil) Programa de cooperação entre Brasil e Alemanha (DFVL e CTA)

26 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL Primeiro aerogerador comercial de grande porte da América do Sul. Ano: 1992 Local: Fernando de Noronha Potência: 75 kw Projeto: Celpe / UFPE / Folkcenter

27 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL Primeira central eólica construída no Brasil Central Eólica Morro do Camelinho Ano: 1994 Local: Gouveia, MG Potência: kw Equipamentos: 4x 250 kw Proprietário: Cemig 1995: a Wobben se instala no Brasil (Sorocaba)

28 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL Primeira central eólica construída sobre dunas e a primeira da América do Sul construída e operada por um Produtor Independente de Energia Central Eólica de Taíba Ano: 1998 Local: Taíba, CE Potência: kw Equipamentos: 10x 500 kw Proprietário: Wobben

29 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL Ano: 1999 Central Eólica de Prainha Central Eólica de Palmas Local: Taíba, CE kw Proprietário: Wobben Local: Palmas, PR kw Proprietário: COPEL

30 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL 2001: CRISE ENERGÉTICA NO BRASIL O Brasil não consegue produzir energia suficiente para atender à sua demanda interna. Principais motivos: poucas chuvas, falta de planejamento e ausência de investimentos em geração e distribuição de energia (Entre 1990 e 2000, o consumo cresceu 49% enquanto a capacidade instalada foi expandida em apenas 35%). PROEÓLICA: Programa Emergencial de Energia Eólica Empresas estrangeiras vêm ao Brasil com objetivo de investir em projetos de energia eólica. A Petrobras inicia um programa de medição do potencial eólico em vários estados do Brasil. A ANEEL dá autorização para exploração de energia eólica para 39 projetos que somam uma capacidade instalada de MW.

31 ATLAS EÓLICO BRASILEIRO Ano: 2001 Potencial Indicativo: 143,5 GW Norte 9 % Nordeste 52 % C. Oeste 2 % Sudeste 21 % Valores estimados para instalações com altura de 50 m do solo Sul 16 % Fonte: Atlas Eólico Nacional (2001) Cepel/Eletrobras

32 ATLAS EÓLICO BRASILEIRO Atlas do Potencial Eólico Brasileiro MME (2001)

33 Vazão (m3/s) PROINFA - Eólicas do NE (MWh) COMPLEMENTARIDADE SAZONAL EÓLICA - HÍDRICA SAZONALIDADE DAS USINAS EÓLICAS DO PROINFA Eólicas - NE Vazão do Rio São Francisco JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 0 Principais Parques Eólicos Implementados e Projeções CRESEB (2008)

34 ENERGIA EÓLICA NO BRASIL Ano: 2003 Usina Eólica Piloto de Macau 1,8 MW Primeira Planta Eólica da Petrobras e do RN 3 Aerogeradores de 600 kw (Wobben E-40) Início de Operação: Dezembro de 2003 Primeiro projeto de MDL com geração Eólica no Brasil (Substituição de 3 motores a Diesel de Plataformas offshore por motores elétricos alimentados pela energia gerada pela Usina Eólica, evitando a emissão de 1,3 toneladas métricas de CO 2 por ano).

35 PROINFA - Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica Lei N , de 26/04/2002 (revisada pela Lei nº , de ) Previa a instalação de 3.300MW de Energia Renovável MW Eólica Projetos Eólicos autorizados pela ANEEL (setembro, 2003) MW Seleção: Projetos ordenados pela antigüidade da LI Produtor Independente Ligado à empresa concessionária de energia elétrica 50% 50% Produtor Autônomo Sem qualquer ligação com empresas concessionárias de energia elétrica 220 MW Limite máximo a ser contratado por Estado Obs: para PCH o limite foi de 165MW.

36 PROINFA 2004 Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica Empreendimentos contratados: 144 Potência contratada: 3.299,4 MW Eólica: 1.422,92 MW (54) PCH: 1.191,24 MW (63) Biomassa: 685,24 MW (27) Fonte: Portaria n 45 MME 30/03/04 PI: 17,9 MW CE: 500,5 MW RN: 201,1 MW PB: 64,9 MW PE: 21,3 MW 28,1 MW SC: 226,7 MW RS: 227,6 MW Quintanilha Machado I 135MW RJ: 163,1 MW

37 FASES DO BRASIL LEILÕES LEILÕES (Decreto nº 5.163, de julho de 2004): Leilões de Energia Reserva (LER) - Novos Empreendimentos de geração Objetivo: atender crescimento da demanda A-5: energia para entrega daqui a cinco anos (Hidráulica) A-3: energia para entrega daqui a três anos (Renováveis, térmica) A-3 A-5 t t+1 t+2 t+3 t+4 t+5 t+6 t+7 t+8 t+9 t+10 Objetivo de dois leilões: gerenciar incerteza na demanda D. W. Carmeis (2010)

38 LEILÃO Leilão de Fontes Alternativas (PCH, Eólica e Biomassa) Leilão de Reserva, que se caracteriza pela contratação de um volume de energia além do que seria necessário para atender à demanda do mercado total do país. Empreendimentos habilitados: 87 Potência habilitados : MW - BIO: 24 / MW - EOL: 9 / 939 MW - PCH: 54 / 844 MW Empreendimentos contratados: 18 Potência contratada: 638,6 MW (PCH/BIO) Principais Entraves Eólica: - Preço inicial do MWh baixo; - Duração do contrato; - Mercado Global aquecido. Preço inicial: EOL: R$ 140 / PCH: R$ 130 Duraçã0: EOL: 15 anos / PCH: 30 anos

39 LEILÃO 2009 Leilão de Energia de Reserva Eólica Se caracteriza pela contratação de um volume de energia além do que seria necessário para atender à demanda do mercado total do país. CE: 542,7 MW RN: 657 MW Empreendimentos cadastrados: 441 Potência cadastrados : MW Empreendimentos contratados: 71 Potência contratada: 1.805,7 MW SE: 30 MW BA: 390 MW Preço inicial: R$ 189/MWh Preço médio: R$ 148,39/MWh Duração do contrato: 20 anos Início de operação: até julho de 2012 RS: 186 MW

40 LEILÕES 2010 Leilões de Fontes Alternativas de energia elétrica (PCH, Eólica e Biomassa) Foram 2 leilões: leilão de reserva e leilão de A-3 (A-3: energia necessária para atender a demanda do mercado depois de 3 anos). Empreendimentos cadastrados: 478 Potência cadastrados : MW CE: 150 MW RN: 1.064,6 MW - EOL: 399 / MW - BIO: 61 / MW - PCH: 18 / 255 MW Eólica: Empreendimentos. contratados: 70 (LER: 20, LFA: 50) Potência contratada: 2.047,8 MW (LER: 528,2, LFA: 1.519,6) BA: 587,4 MW Preço inicial: R$ 167/MWh Preço médio: R$ 130,86/MWh Duração do contrato: 20 anos Início de operação: LER: set-2013 / LFA: jan-2013 RS: 245,8 MW

41 LEILÕES 2011 Leilões de Reserva e A Além de eólica e biomassa, no de reserva, o leilão A-3 teve a participação de termelétricas movidas a gás natural, PCHs e a ampliação da usina hidrelétrica de Jirau. Empreendimentos Habilitados: 321 Potência Habilitados : MW - EOL: 240 / MW - GÁS: 10 / MW - BIO: 43 / MW - PCH: 27 / 443 MW - JIRAU: 1 / 450 MW Eólica: Empreendimentos contratados: 78 (LER: 34, LFA: 44) Potência contratada: 1.928,8 MW (LER: 861,1, LFA: 1.167,7) PI: 75,6 MW CE: 278,1 MW RN: 458,2 MW PE: 78 MW BA: 414,4 MW Preço inicial: LFA: R$ 139 / LER: R$ 146 Preço médio: LFA: R$ 99,58 / LER: R$ 99,54 Duração do contrato: 20 anos Início de operação: março de 2014 RS: 624,4 MW

42 LEILÃO A Leilão A-5 Participantes: hidrelétrica, eólica e termelétrica a biomassa. Energia necessária para atender a demanda do mercado depois de 5 anos MA: 57,6 MW Empreendimentos Habilitados: 231 Potência Habilitados : MW CE: 328 MW RN: 321,8 MW - EOL: 205 / MW - BIO: 13 / 602 MW - PCH: 8 / 147 MW - HIDRO: 5 / 388 MW Eólica: Empreendimentos contratados: 39 (Total: 42) Potência contratada: 976,5 MW (81%) BA: 149,5 MW Preço inicial: R$ 112,00 / MWh Preço médio: R$ 105,02/MWh Duração do contrato: 20 anos Início de operação: janeiro de 2016 RS: 119,6 MW

43 LEILÃO 2012 Devido à baixa demanda de contratação pelas distribuidoras, o leilão A-3 foi cancelado e o A-5 contratou apenas 302,2MW médios. Leilão A-5: Participação de todas as fontes. Empreendimentos Cadastrados: 585 / 25 GW Empreendimentos Habilitados: 525 / 14,2 GW MA: 201,6 MW - EOL: 484 / MW - GÁS: 2 / 363 MW - BIO: 10 / 583 MW - PCH: 22 / 363 MW - HIDRO: 7 / 988 MW Eólica: Empreendimentos contratados: 10 Potência contratada: 281,9 MW BA: 52,5 MW Preço inicial: R$ 112,00 / MWh Preço médio: R$ 87,94 / MWh Duração do contrato: 20 anos Início de operação: 2017 RS: 28 MW

44 RESUMO CONTRATAÇÕES EÓLICA * valores estimados

45 POTENCIAL EÓLICO NO BRASIL Fonte: ABEEÓLICA

46 ESTRUTURA TÍPICA DE UMA USINA EÓLICA Subestação Elevadora do Parque Eólico Linha de Transmissão em Alta Tensão Subestação da Concessionária Rede distribuição elétrica interna do Parque Eólico em Média Tensão Fronteira de Custos considerada na Avaliação dos Projetos Fonte: Pavinatto, 2005

47 ESTRUTURA TÍPICA DE UMA USINA EÓLICA

48 RESUMO CONTRATAÇÕES DESENVOLVEDORES Energia Negociada em Leilões de Energia no Brasil (MW) RENOVA CPFL BIOENERGY IMPSA ELETROSUL ENERFIN IBERDROLA ENEL GESTAMP VOLTALIA 1.016, , ,4 28,8 676, , , , , ,4 13 Em Construção 311,6 0 Em Operação Capacidade Instalada Negociada (MW) Fonte: /02/2013

49 RESUMO CONTRATAÇÕES FABRICANTES Siemens; 3,1% Alstom; 4,7% Outros; 6,1% Impsa; 18,5% Gamesa; 5,6% Suzlon; 13,6% Wobben; 18,1% Vestas; 14,9% GE; 15,4% Fonte: Valor Econômico (levantamento ABEEólica)

50 FORNECEDORES LOCAIS NE SE SUL Aerogeradores Torres Pás Fundição Operação Construção Planejado Fonte: ABBEólica

51 REFERÊNCIAS 1. A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva; Energia eólica: Aspectos técnicos,regulatórios e comerciais; Natal, RN, Brasil 19 a 23 de Julho de 2010; CTGAS-ER (2010) 2. E. Hau, Wind turbines Fundamentals, technologies, application, economics (2005), Springer, 2nd edition Munich, Abril Principais Parques Eólicos Implementados e Projeções CRESEB; Disponível em consultado em 24/03/ G. V. Rossen, Melle turbine E-82 voorbeeld installatie (2011) Disponível em consultado em 30/11/ World Wind Energy Association; Wind Energy Technology and Planning (2011) Disponível em consultado em 30/11/ T. Wizelius, (2007), Developing Wind Power Projects, Earthscan, London. ISBN-13: , ISBN-10:

52 REFERÊNCIAS 7. Enercon (2011) Disponível em consultado em 07/04/ Vestas (2011); Disponível em S%2fBrochures%2fV82_ES.pdf; consultado em 10/04/ Atlas de Energia Elétrica do Brasil ANEEL (2011); Disponível em consultado em 28/03/ R. M. G. Castro, Energias Renováveis e Produção Descentralizada: Introdução à Energia Eólica (2009) Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, DEEC / Área Científica de Energia, Lisboa, Portugal, Disponível em Consultado em 12/04/2011.

53 CAPÍTULO 3: POTENCIAL EÓLICO

54 INTRODUÇÃO F.R. Martins, R.A. Guarnieri, E.B. Pereira (2007)

55 VENTO NA SUPERFÍCIE E CAMADA LIMITE Perfil do vento Camada limite Mar Litoral Floresta Planície sem vegetação Laminar Turbulento Wind Power Offshore Gotland University (2009)

56 VENTO NA SUPERFÍCIE E CAMADA LIMITE Camada limite Wind Power Offshore Gotland University (2009)

57 COMPRIMENTO DE RUGOSIDADE Comprimento de Rugosidade (z 0 ): Altura da superfície onde a velocidade do vento é nula. F.R. Martins, R.A. Guarnieri, E.B. Pereira (2007) Onde: v = Velocidade do vento a determinar (m/s) v ref = velocidade do vento medida (m/s) z = Altura do cubo (m) z ref = Altura de medição do vento (m) z 0 = Comprimento de rugosidade (m)

58 COMPRIMENTO DE RUGOSIDADE E.B. Pereira (2010)

59 COMPRIMENTO DE RUGOSIDADE Perfis verticais de vento para diferentes comprimentos de rugosidade E.B. Pereira (2010)

60 EXPOENTE VERTICAL v v z ref z ref v Onde: v = Velocidade do vento a determinar (m/s) v ref = Velocidade do vento medida (m/s) z = Altura da velocidade a determinar (m) z ref = Altura de medição do vento (m) = Constante em função da estabilidade atmosférica e rugosidade (adimensional) z z ref v ref T. Wizelius, (2007)

61 VALOR DE EM FUNÇÃO DO AMBIENTE Classe Ambiente 0 Águas abertas, lagos oceanos, 0,1 1 Planícies de vegetação, desertos, terreno plano. 0,15 2 Área cultivada, fazendas. 0,2 3 Vilas e florestas baixas. 0,3 T. Wizelius, (2007)

62 OROGRAFIA Efeitos orográficos: colina suave Troen e Petersen, 1989

63 POTÊNCIA CINÉTICA DISPONÍVEL NO VENTO v A t v L A t E P c c v 2 2 v V E V m V m c 2 2 v L A E c Onde: P = Potencia disponível no vento (W) ρ = Densidade do vento (kg/m 3 ) A = Área do rotor (m 2 ) v = Velocidade do vento (m/s) Considerando ρ = 1,225 kg/m 3 Potencia disponível do vento por m 2 :

64 Pextr/Pc LIMITE DE BETZ Em 1926, o físico alemão Albert Betz, publicou o livro Energia Eólica no qual afirmou que uma turbina eólica ideal só pode diminuir a velocidade do vento em 2/3 de sua velocidade original, ou seja, não é possível converter mais do que 16/27 (ou 59%) da energia cinética contida no vento. 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 v2/v0 Energia cinética máxima extraída: 59% ou 16/27 Condição em que ocorre: redução de 2/3 da velocidade do vento

65 Potencia do Vento (W/m 2 ) POTENCIA EÓLICA DISPONÍVEL E UTILIZÁVEL Potencia disponível no vento Potencia Utilizável do vento Velocidade (m/s) Wind Power Offshore Gotland University (2009)

66 POTÊNCIA MECÂNICA EXTRAÍDA E c, rot I 2 2 (reservatório) Perdas por atrito Potência mecânica disponível P mec, extr C P, mec Av 2 3 E c, rot t E atrito t T gerador

67 Frequência Parâmetros Eólicos de Projeto: Distribuição de Velocidades Função de Weibull 10% 8% f ( v) k c v c k1 e k v c 6% 4% 2% 0% Velocidade do vento (m/s) Registros 10 minutos: 1 ano = 365 dias x 24h x 6 =

68 Frequência Frequência Parâmetros Eólicos de Projeto: Distribuição de Velocidades Densidade de Probabilidade versus Distribuição acumulada Distribuição de Velocidades Função de Probabilidade Cumulativa 10% 100% 8% 80% 6% 60% 4% 40% 2% 20% 0% 0 5 V 1 10 V Velocidade do vento (m/s) 0% 0 5 V 1 10 V Velocidade do vento (m/s) f ( v) k c v c k1 e k v c F( v) 1 e k v c f(v 1 < v < v 2 ) = F(v 2 ) - F(v 1 )

69 Frequência (%) Parâmetros Eólicos de Projeto: Distribuição de Velocidades Weibull P W V0 ( V0 ) 1 exp C k 18% 15% 12% k=2 k=3 k=4 Vmed é o valor médio de V C é o parâmetro de escala k é o parâmetro de forma versus Rayleigh (k=2) 9% 6% 3% 0% Velocidade do vento (m/s) P R ( V 0 ) V 1 exp 4 V 0 med 2 1 V med C 1 k C 2 ou, se k = 2

70 CAPÍTULO 4: CONVERSÃO DA ENERGIA CINÉTICA DO VENTO

71 PERFIS (AEROFÓLIOS) Qualquer seção da asa ou de uma pá cortada por um plano paralelo ao plano x-z é chamada de aerofólio.

72 FORÇA E MOMENTO As forças e momentos em aerodinâmica agem sobre um corpo, basicamente, devido a dois fatores: 1. Distribuição de pressão 2. Tensão de cisalhamento A pressão age na direção normal ao corpo enquanto que a tensão de cisalhamento age tangencialmente ao corpo. Ambos tem unidade de força por unidade de área

73 FORÇA E MOMENTO A resultante R, pode ser decomposta nas seguintes componentes: L = sustentação = componente de R perpendicular à direção de V. D= arrasto = componente de R paralela à direção de V.

74 COEFICIENTES ADIMENSIONAIS Considerando a pressão dinâmica, q, como quantidade dimensional inerente às forças aerodinâmicas e S, a área de referência. q 1 V 2 2 Coeficiente de Sustentação (Lift): C L L q S Coeficiente de Arrasto (Drag): C D D q S Coeficiente de Momento: C M M q S l l é a corda do aerofólio

75 COEFICIENTES ADIMENSIONAIS Os símbolos com letras maiúsculas estão associados a forças e momentos de corpos com geometria tridimensional, como asas finitas e aviões. No caso de geometrias bidimensionais, como aerofólios, as forças e momentos são dados por unidade de comprimento e os coeficientes aerodinâmicos são dados por letras minúsculas: c l L q c c d D q c c m M q c Onde c é a corda do aerofólio.

76 A FORÇA DE ARRASTO A força de arrasto pode ser dividida em uma componente devido à pressão e outra devido a tensão de cisalhamento. O arrasto em corpos não aerodinâmicos (como uma placa plana normal ou um cilindro) é predominantemente devido à efeitos de pressão. Por outro lado, no aerofólio, que é um corpo aerodinâmico, o arrasto é predominantemente devido a efeitos de viscosidade.

77 A FORÇA DE ARRASTO v A C d = 1.11 v C d = 1.33 v C d = 0.34 a:b = 1 C d = 1.11 v a A b a:b = 4 C d = 1.19 a:b = 10 C d = 1.29 a:b = C d = 2.01

78 A FORÇA DE SUSTENTAÇÃO A força de sustentação gerada por uma superfície plana, ou quase plana, é resultado da diferença de pressão entre os seus lados. Esta diferença de pressão é obtida por: Arqueamento Inclinação

79 A CONDIÇÃO DE KUTTA O escoamento se divide em um ponto localizado na parte inferior do aerofólio, o chamado ponto de estagnação. O ar não escoa pelo caminho mais curto. O escoamento prefere contornar o bico do aerofólio, isto é, o bordo de ataque. Conseqüentemente, o escoamento na região do bordo de ataque tem, em um pequeno trecho, sentido contrário aquele do escoamento não perturbado. Caso real (com viscosidade) Escoamento ideal (sem viscosidade) A força de sustentação depende da viscosidade do ar, uma vez que a não simetria do escoamento real produz uma diferença entre a pressão das superfícies e, conseqüentemente, gera sustentação.

80 PRINCÍPIO DE BERNOULLI Energia Cinética (velocidade) Energia Potencial (pressão) velocidade aumenta pressão reduz (Bentz, 2002)

81 SUSTENTAÇÃO DE UM AEROFÓLIO O ar escoa na direção da área de baixa pressão acima do aerofólio, em seguida é desviado para baixo, ao passar pelo aerofólio. 3ª Lei de Newton: para toda ação há uma reação igual no sentido contrário. A reação ao desvio do escoamento para baixo, é em fato, esta força imcompreendida chamada de sustentação Schiff p. 8 Pressão baixa relativa (Bentz, 2002)

82 ANGULO DE ATAQUE O ângulo de ataque é o ângulo entre a linha de corda e o vento médio relativo. O aumento do ângulo de ataque faz aumentar a sustentação (até certo ponto). sustentação total (Bentz, 2002)

83 ANGULO DE ATAQUE estol perfil FX apresenta estol em maiores ângulos de ataque; e o estol é menos suave do que o perfil FX67-K-170. Estol acontece quando o escoamento não consegue seguir o contorno do aerofólio, isto é, a camada limite descola do corpo.

84 ANGULO DE ATAQUE

85 O ESTOL DO PERFIL baixo < estol > estol

86 A PÁ Fonte: Sandia National Labs

87 Características aerodinâmicas Corte transversal de uma pá D L 2,0 1,5 1,0 r r 0,5 Plano de rotação f V rel q V 0 0,0-0,5 q = ângulo de passo f = ângulo de incidência (rotor) = ângulo de ataque (perfil) -1, ângulo de incidência (graus) Cl Cd Cl/Cd

88 Empuxo Arrasto Sustentação r v velocidade não perturbada Força tangencial v eff = Angle of attack v v v velocidade reduzida r velocidade escalar do ponto Local inflow to the rotor blade cross sections and the resulting aerodynamic forces at an optimum lift coefficient c l b = ângulo de pitch da pá Dewi (2008)

89 Potência Controle de Potência L D - Estol r - Controle por pitch - Estol ativo V rel V 0 C L C L v nominal Velocidade C d Ângulo de ataque

90 Velocidades Induzidas Considerando que o fluxo de ar incidente tem sua velocidade reduzida de acordo com o fator de indução axial a e que o fluxo sofre uma rotação de acordo com o fator de indução rotacional a, as velocidades resultantes sobre o perfil da pá ficam da seguinte forma: L D r(1+a ) Plano de rotação f V rel q V 0 (1-a) Hasen (2008)

91 FORÇAS RESULTANTES L D f = ângulo de incidência (rotor) V 0 (1-a) r(1+a ) q f Plano de rotação = ângulo de ataque (perfil) q = ângulo de passo V rel Cn Cl cos f Cd senf Cn Fn 1 V 2 2 rel c dt B Fn dr Ct Cl senf Cd cosf Ct Ft 1 V 2 2 rel c dm r B Ft dr

92 Freio Aerodinâmico

93 Efeito Esteira Desenvolvimento da Esteira ao longo de 3 rotores em linha. As regiões clara apresentam mai vórtices J. Sorense (2011)

94 Número de Pás / Diagrama Cp x 0.7 Rotor power coefficient c p Ideal power coefficient according to Betz c p = 16/27 3 blades Theoretical power coefficient for c l /c d = vertical axis Darrieus Dutch windmill Multibladed (Western rotor) 2 blades 1 blade 0 Savonius rotor Tip speed ratio Dewi (2008)

95 CAPÍTULO 5: TECNOLOGIA DOS AEROGERADORES

96 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO ROTOR Downwind. Upwind. E. Hau (2005) Vestas (2011)

97 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO EIXO E. Hau (2005)

98 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO EIXO E. Hau (2005)

99 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO EIXO Darrieus USA, Diâmetro do rotor 19 m, Potencia 170 kw. H-rotor, Diâmetro do rotor 35 m, Potencia 300 kw E. Hau (2005)

100 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: NÚMERO DE PÁS E. Hau (2005)

101 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA E. Hau (2005)

102 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA Curvas de potência pitch (Aerogerador Bônus) e stall (Aerogeradores NEG Micon e Nordex) R. M. G. Castro (2009)

103 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA E. Hau (2005) Atlas de Energia Elétrica do Brasil ANEEL (2011)

104 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA E. Hau (2005) Vestas (2011)

105 TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA E. Hau (2005)

106 CONCEITOS TECNOLÓGICOS Tipo A: Gerador de indução em Gaiola Tipo B: Controle da resistência do Rotor Solidamente conectado a rede; Não otimiza a potência eólica; Produz distúrbios de qualidade da energia: Energização dos geradores e bancos de capacitores; Chaveamento constante de unidades; A estreita faixa de variação de velocidades impede que o armazenamento inercial minimize os distúrbios de origem mecânica, elétrica ou climática; Estresses elétricos perante afundamentos de tensão. Controle da resistência do rotor por conversor eletrônico (OptiSlip); Alterava o escorregamento para controle do torque eletromagnético; O sinal é oticamente do estator para o rotor transmitido do estator. Fonte: Tecnologia de Turbinas Eólica Prof. Selênio Rocha Silva

107 CONCEITOS TECNOLÓGICOS Tipo C: Gerador de indução duplamente alimentado: Baixo custo do conversor que processa a energia rotórica Vantagens da operação a velocidade variável; Controle de potências ativa e reativa entre aerogerador e rede; Desvantagens: Conexão sólida com a rede pelo estator Utiliza caixa de multiplicação de velocidades. Tipo D: Gerador Síncrono: Geradores síncronos com bobina de campo ou imãs permanentes; Conversor de potência processa potência nominal; Faixa de velocidades: ampla Vantagens da operação a velocidade variável; Controle de potências ativa e reativa entre aerogerador e rede; Desacoplamento entre dinâmica elétrica e mecânica; Ausência da caixa de multiplicação de velocidades. Fonte: Tecnologia de Turbinas Eólica Prof. Selênio Rocha Silva

108 CONCEITOS TECNOLÓGICOS Tendências Domínio do conceito C nos próximos anos Potencial de crescimento do conceito D Utilização de velocidade variável Emprego de suporte à rede elétrica Utilização do conceito A limitado a condições da rede Fonte: Hansen, A. & Hansen L., Wind Energy, 2006.

109 CONCEITOS TECNOLÓGICOS Fonte: Tecnologia de Turbinas Eólica Prof. Selênio Rocha Silva

110 COMPONENTES DE AEROGERADORES P extraída AV C P 1. spinner 2. suporte do spinner suporte 3. pá 4. rolamento de pitch 5. cubo do rotor 6. rolamento principal 7. eixo principal 8. caixa de multiplicadora 9. freio a disco 10. acoplamento 11. gerador 12. serviço de guindaste 13. sensores meteorológicos 14. torre 15. Anel de yaw 16. Engrenagem de yaw 17. estrutura da nacele 18. filtro de óleo 19. cobertura 20. ventilador de gerador

111 COMPONENTES DE AEROGERADORES: FUNDAÇÃO Suportar o peso, evitar que o mesmo afunde, atuar como contrapeso para evitar o tombamento do aerogerador. Depende das características do solo E. Hau (2005)

112 COMPONENTES DE AEROGERADORES: TORRE Treliçadas Metálicas Concreto: protendido E. Hau (2005)

113 COMPONENTES DE AEROGERADORES: ROTOR Pás Sistema de pitch Cubo Rossen (2011)

114 COMPONENTES DE AEROGERADORES: PÁS Fibra de vidro Epoxy/Poliester Sistema de para raios Sistema anticongelamento Rossen (2011)

115 COMPONENTES DE AEROGERADORES: CUBO Rossen (2011)

116 COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE ACIONAMENTO E. Hau (2005)

117 COMPONENTES DE AEROGERADORES: CAIXA MULTIPLICADORA Vários estágios (Três estágios, planetário) Perdas 1% por estagio E. Hau (2005)

118 COMPONENTES DE AEROGERADORES: ROLAMENTO PRINCIPAL E. Hau (2005)

119 COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE FREIOS E. Hau (2005)

120 COMPONENTES DE AEROGERADORES: ACOPLAMENTOS Flexíveis Entre a caixa multiplicadora e o gerador E. Hau (2005)

121 COMPONENTES DE AEROGERADORES: GERADOR ELÉTRICO World Wind Energy Association (2011) E. Hau (2005)

122 COMPONENTES DE AEROGERADORES: CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA E. Hau (2005)

123 COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE PITCH E. Hau (2005)

124 COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE YAW E. Hau (2005) A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva (2010)

125 EXIGÊNCIAS NORMATIVAS: SISTEMA DE SEGURANÇA E CONTROLE O sistema de segurança deve ser ativado nos seguintes casos: Sobrevelocidade; Sobrecarga ou falha no gerador; Vibração excessiva; Torção excessiva dos cabos da nacele Os principais parâmetros a serem controlados são: Potência de geração; Velocidade rotacional da turbina; Conexão à rede elétrica; Procedimentos de partida e parada do equipamento; Torção dos cabos que se conectam à nacele; Alinhamento do rotor ao vento incidente.

126 EXIGÊNCIAS NORMATIVAS: SISTEMA DE FREIOS Deve haver ao menos dois sistemas de freio independentes Um dos freios, no mínimo, deve ser capaz de parar completamente o rotor Cada sistema de freio deve ser capaz de freiar o rotor a partir da rotação máxima de projeto considerando que: a) o outro sistema de freio está com defeito; e b) perdeu-se conexão com a rede elétrica Um dos freios deve atuar diretamente no rotor ou em elemento diretamente conectado ao rotor O comando de freio deve ser acionado, ou medidas de segurança devem ser tomadas, caso a fonte de energia externa seja perdida; O comando e a execução da função freio deve ser exercida independentemente do sistema de controle.

127 EXEMPLO DE FABRICANTES NO BRASIL

128 Potência (kw) EXEMPLO DE FABRICANTES NO BRASIL Curva de Potência IWP-70 1,5MW IWP-83 2,1MW IWP-100 2,0MW V-77-1,5MW Velocidade do Vento (m/s)

129 Potência (kw) EXEMPLO DE FABRICANTES NO BRASIL Curva de Potência 1800,0 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 GE GE GE Velocidade do Vento (m/s)

130 Potência (kw) EXEMPLO DE FABRICANTES NO BRASIL Curvas de Potência V MW V MW V MW V MW Velocidade do Vento (m/s)

131 EXEMPLO DE FABRICANTES NO BRASIL Fonte:

132 CAPÍTULO 6: CERTIFICAÇÃO E AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE AEROGERADORES

133 CERTIFICAÇÃO DE AEROGERADORES Para um aerogerador ser comercializado internacionalmente é necessário que ele possua certificados de conformidade. Certificação é a confirmação da conformidade de um produto ou um serviço com os requisitos definidos (EN 45020). Certificação de Tipo é o procedimento pelo qual um organismo de certificação dá garantias por escrito que um tipo de turbina eólica está em conformidade com os requisitos especificados (IEC ). IEC: Certificação de Tipo e a Certificação de Projeto de Parque Eólico: 2001: WT 01 / 2010:

134 Módulos da Certificação de Tipo IEC Avaliação do Projeto Básico Avaliação do Projeto Avaliação do Projeto da Fundação Avaliação da Fabricação Avaliação da Construção da Fundação Exigência para Habilitação nos Leilões: Curva de potência certificada. Ensaios de Tipo Testes de segurança e função Desempenho de potência Cargas mecânicas Teste de pás Outros testes Medições das Características de Tipo Qualidade de Energia Suportabilidade ao afundamento de tensão Ruído acústico Avaliação Final Módulos Opcionais Certificação de Tipo

135 CLASSES DE AEROGERADORES Fonte: IEC ed V ave Velocidade média anual do vento V ref Velocidade de referência do vento Definida como a velocidade extrema média de 10 minutos com ocorrência esperada para um período de 50 anos. A razão V V ref ave 5 é constante para todas as classes

136 E70 E48 SWT V80-2.0MW G80-2.0MW IWP-70 1,5MW IWP-83 2,1MW ECO MW E82 S88 2.1MW SWT G87-2.0MW ECO MW GE V-77-1,5MW ECO MW G90-2.0MW V MW GE S95-2.1MW ECO MW SWT V90-1.8MW S97-2.1MW G97-2.0MW IWP-100 2,0MW V MW GE Potência Específica (W/m2) CLASSES DE AEROGERADORES X DIÂMETRO DO ROTOR Classe I Classe II Classe III

137 Potência (kw) MEDIÇÃO DO DESEMPENHO : Configuração do local de medição O principal objetivo do ensaio de desempenho de um aerogerador é a definição de sua curva de potência para permitir sua comercialização Curva de Potência S MW S MW S MW Velocidade do Vento (m/s) Procedimentos: IEA 1: 1ª Ed em 1982 IEC (1998) / IEC (2005)

138 MEDIÇÃO DO DESEMPENHO : Configuração do local de medição A medição da velocidade do vento deve ser realizada com anemômetro de copo Potência Elétrica Velocidade do Vento D Distância: 2D a 4D (2,5D)

139 MEDIÇÃO DO DESEMPENHO : Configuração do local de medição A área de testes deve apresentar relevo simples, com baixa declividade e ser livre de obstáculos.

140 MEDIÇÃO DO DESEMPENHO : Configuração do local de medição Caso o relevo do local possa causar uma variação na velocidade do vento entre a torre de medição e o aerogerador superior a 1%, deve-se realizar a calibração do local Inclinação > 3%

141 MEDIÇÃO DO DESEMPENHO : Configuração do local de medição Calibração do Local (site calibration): Comparação entre a torre anemométrica de referência e a medição da torre na posição do aerogerador.

142 MEDIÇÃO DO DESEMPENHO : Área de Testes de Aeogeradores Estação de Testes de Aerogeradores do Risø em Høvsøre (RISØ, 2010).

143 MEDIÇÃO DO DESEMPENHO : Medição da Velocidade do vento Instrumento para Medição: Taxa de Amostragem: 1 Hz Tempo de integração: 10 minutos Calibração Antes dos testes Calibração Depois dos testes < 0,1 m/s entre 6 e 12m/s Calibração: Definição em túnel de vento da função de relação entre a taxa de pulsos/segundo e a velocidade do vento entre 4m/s a 16m/s.

144 MEDIÇÃO ANEMOMÉTRICA : Outros sensores e sua disposição na torres Sensor Termômetro Barômetro de Direção (Verificar (Cálculo setores da Densidade) válidos) Higrômetro (umidade) Não é obrigatório, mas recomendado para locais que sejam quente e úmido.

145 Velocidade do vento (m/s) Potência Elétrica (kw) DEFINIÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA Vento Potência

146 DEFINIÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA Número Intervalo Intervalo em (m/s) Velocidade média (m/s) Potência média (kw) Coeficiente de Potência Número de dados 1 0 a 0,75 0,44 0,0 0, ,75 a 1,25 1,05 0,0 0, ,25 a 1,75 1,55 0,0 0, ,75 a 2,25 2,01 0,0 0, ,25 a 2,75 2,52 1,4 0, ,75 a 3,25 3,02 10,0 0, ,25 a 3,75 3,52 29,1 0, ,75 a 4,25 4,01 58,2 0, ,25 a 4,75 4,50 92,8 0, ,75 a 5,25 5,01 134,9 0,

147 Potência Elétrica (kw) Coeficiente de Potência, Cp DEFINIÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA Curva de Potência e Coeficiente de Potência 1600,0 0, ,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0, Velocidade do Vento (m/s) 0,45 0,30 0,15 0,00

148 CÁLCULO DA PRODUÇÃO ANUAL DE ENERGIA Probabilidade de Ocorrência: f(vi < V intervalo < V i+1,) = F(V i+1,)- F(V i,). Weibull: F( V i ) 1 e V i C k Rayleigh: F( V i ) 1 e V i 4 V MED 2 i Vel Pot Pot MED F(V i+1 ) F(V i ) F(V i+1 )-F(V i ) Horas Energia m/s KW KW % % % por ano KWh 1 0,45 0,00 0,00 0,15% 0,01% 0,01% 1, ,04 0,00 0,00 0,50% 0,15% 0,14% 12,4 0 1 ano = 8760 horas 3 1,55 0,00 0,00 1,11% 0,50% 0,35% 30, ,01 0,00 0,70 2,17% 1,11% 0,60% 52, ,52 1,40 5,70 3,69% 2,17% 1,06% 93, ,02 10,00 19,55 5,82% 3,69% 1,52% 133, ,52 29,10 43,65 8,44% 5,82% 2,13% 186, ,01 58,20 75,50 11,77% 8,44% 2,62% 229, ,50 92,80 113,85 15,80% 11,77% 3,33% 291,

149 CÁLCULO DA PRODUÇÃO ANUAL DE ENERGIA E N 1 P( U i 1) P( U i ) 8760 F( U i1) i1 2 F( U i ) i Vel Pot Pot MED F(V i+1 ) F(V i ) F(V i+1 )-F(V i ) Horas Energia m/s KW KW % % % por ano KWh 1 0,45 0,00 0,00 0,15% 0,01% 0,01% 1, ,04 0,00 0,00 0,50% 0,15% 0,14% 12, ,55 0,00 0,00 1,11% 0,50% 0,35% 30, ,01 0,00 0,70 2,17% 1,11% 0,60% 52, ,52 1,40 5,70 3,69% 2,17% 1,06% 93, ,02 10,00 19,55 5,82% 3,69% 1,52% 133, ,52 29,10 43,65 8,44% 5,82% 2,13% 186, ,01 58,20 75,50 11,77% 8,44% 2,62% 229, ,50 92,80 113,85 15,80% 11,77% 3,33% 291,

150 FATOR DE CAPACIDADE FC Produção Anual de Energia 8760 horas Potência Nominal

151 REFERÊNCIAS AERODYNAMICS OF WIND TURBINES, Hansen, Earthscan, 2a edição, WIND ENERGY ENGINEERING, Pramod Jain, Mac Graw Hill WIND ENERGY EXPLAINED: THEORY, DESIGN AND APPLICATION, James F. Manwell (Autor), Jon G. McGowan (Autor), Anthony L. Rogers (Autor) WIND ENERGY HANDBOOK, Tony Burton (Autor), David Sharpe (Autor), Nick Jenkins (Autor), Ervin Bossanyi (Autor) JOHANSEN, J., SØRENSEN, N. N., Aerodynamic investigation of Winglets on Wind Turbine Blades using CFD, Risø National Laboratory, Roskilde, MOLLY, J. P., Energia Eólica Aerodinâmica, Dewi GmbH, Rio de Janeiro, IEC : Wind Turbines Part 12-1: Power Performance Measurements of Electricity Producing Wind turbines, IEC : Conformity Testing and Certification of Wind Turbines, 2010

152 CAPÍTULO 7: IMPACTOS AMBIENTAIS

153 INTRODUÇÃO Mercurius (2011)

154 IMPACTOS AMBIENTAIS Impactos ambientais na flora e fauna A flora pode ser afetada durante a etapa de construção ou por câmbios nas condições hidrológicas devido à fundação, valas dos cabos, entre outras. Em condições normais isso é raramente um problema. No que diz respeito à fauna, o risco por impactos de aves tem sido debatido, e muitas pesquisas tem sido realizadas para aclarar este tema. T. Wizelius, (2007)

155 RUÍDO MECÂNICO Caixa multiplicadora; Gerador e outros componentes mecânicos rotatórios AERODINÂMICO Pás Enercon (2011) EMD - WindPro Decibel Report (2011) T. Wizelius, (2007)

156 LIMITES DE RUÍDO Nível de critério de avaliação NCA para ambientes externos, em db(a) Acústica - Avaliação do ruído em áreas habitadas, visando o conforto da comunidade Procedimento NBR (2003)

157 SOMBRA EMD - WindPro Shadow Report (2011)

158 IMPACTO VISUAL Energia Eólica Básica Gotland University (2009)

159 IMPACTO VISUAL EMD - WindPro Photomontage Report (2011)

160 LEGISLAÇÃO AMBIENTAL A legislação ambiental se encontra estabelecida na resolução CONAMA 237/1997. As licenças estabelecidas conforme legislações federais pelas resoluções CONAMA 6/1987 e 279/2001 são: Licença Previa (LP), Licença de Instalação (LI), Licença de Operação (LO), Licença Simplificada (LS) A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva (2010)

161 GERAÇÃO DE EMPREGOS Empregos: A indústria eólica já possui hoje mais de 12 mil postos de trabalho na fabricação de aerogeradores Serão criados cerca de 20 mil empregos diretos na construção de parques eólicos até 2016, sendo muitos destes empregos de mão de obra local Fonte: ABEEÓLICA

162 REFERÊNCIAS 1. Mercurius (2011) Disponível em consultado em 25/03/ T. Wizelius, (2007), Developing Wind Power Projects, Earthscan, London. ISBN-13: , ISBN-10: EMD - WindPro Decibel Report (2011); disponível em ; consultado em 19/04/2011. E. Hau, Wind turbines Fundamentals, technologies, application, economics (2005), Springer, 2nd edition Munich, Abril NBR Acústica - Avaliação do ruído em áreas habitadas, visando o conforto da comunidade Procedimento (2003). 5. EMD - WindPro Shadow Report (2011); disponível em f; consultado em 19/04/ Energia Eólica Básica Gotland University (2009), Curso a distância; Gotland University; Suécia.

163 REFERÊNCIAS 7. EMD - WindPro Photomontage Report (2011); disponível em consultado em 19/04/ A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva; Energia eólica: Aspectos técnicos,regulatórios e comerciais; Natal, RN, Brasil 19 a 23 de Julho de 2010; CTGAS-ER (2010)

164 Fone: Fax: Natal/RN