Aula 09. Turbinas Eólicas

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1 Aula 09 Turbinas Eólicas Prof. Heverton Augusto Pereira Universidade Federal de Viçosa - UFV Departamento de Engenharia Elétrica - DEL Gerência de Especialistas em Sistemas Elétricos de Potência Gesep heverton.pereira@ufv.br TEL: +55 (31)

2 O vento

3 Conceitos Iniciais A energia eólica resulta da transformação de parte do efeito térmico solar em energia cinética da atmosfera. A diferença de radiação solar sobre regiões distintas do planeta provoca o deslocamento de camadas de ar, os ventos. A energia cinética presente em um dado volume de vento, pode ser expressa por: Ec = 1 mv 2 Onde: m: massa de ar [kg] V: velocidade da massa de ar em movimento (vento) [m/s] 2

4 Conceitos Iniciais A potência eólica disponível é calculada pela taxa de variação desta energia eólica, sendo expressa em Watts por: Pe = 1 ρ. 2. A v Onde: A: é a área varrida pelo rotor eólico [m 2 ]; ρ: é a massa específica do ar [ρ 1,2 kg/m 3 ] 3

5 Limites de Betz Apenas uma parte da energia cinética contida nas massas de ar é conversível, uma vez que o ar deve conservar uma velocidade que permita a passagem de seu fluxo através do rotor de uma turbina eólica. A melhor conversão teórica de energia é obtida quando a velocidade na esteira do rotor é igual a 1/3 da velocidade do vento incidente. A partir deste valor, a potência mecânica, teoricamente recuperável de uma instalação eólica no máximo 59,3% da potência disponível incidente. Este valor estimado da eficiência máxima de conversão é conhecido como limite de Betz, Em turbinas comerciais os testes em campos indicam eficiências de conversão menores.

6 Limites de Betz = = 1 2 = 1 2 = 1 2 = 1 2 = = = 1 2 = 1 2 ( )

7 Limites de Betz = Quantidade de movimento: = = Energia perdida pelo vento: = = = = = 1 2 ( ) = + 2 Considerando que tem a mesma direção que

8 Limites de Betz = = = 1 4 ( + )( ) Maximização da extração de energia: = 0 = = 1 3 = 8 27 =

9 Estimação da produção eólica O cálculo dos valores médios de energia eólica disponível em um determinado local requer o conhecimento da distribuição de probabilidade de vento ou dos registros dos valores de vento em um dado período de tempo. Os valores de velocidade de vento média, normalmente obtidos em um determinado período de tempo, não fornecem informações precisas sobre a energia eólica disponível no local, já que a potência eólica depende da velocidade de vento elevada ao cubo.

10 Estimação da produção eólica Fonte:

11 Estimação da produção eólica Dois valores médios podem ser utilizados para estimativa da potência ou energia eólica disponível em um dado local, o valor médio e a raiz cúbica do valor médio cúbico, e são expressos por: V = 3 3 V 0 = V. p( V ). dv = V. p( V ) 3 V = 0 3. p( V ). dv 3 [ V ] 3. p( V ) Onde p(v) é a função densidade de probabilidade da velocidade de vento do local.

12 Estimação da produção eólica A raiz cúbica da média cúbica da velocidade de vento corresponde a um valor de velocidade de vento que permite uma estimativa mais precisa da potência existente no local; A razão entre a média do cubo da velocidade de vento e o cubo da média da velocidade de vento é chamada de "fator de padrão energético", que varia entre os valores 1,5 e 3. Embora a energia eólica disponível não possa ser obtida do valor da velocidade de vento média, já que o fator padrão energético não é constante, há suficiente correspondência entre altos valores de velocidade média e altas potências médias, possibilitando uma avaliação qualitativa.

13 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas Uma turbina eólica é formada essencialmente por um conjunto de pás sob a ação do vento. As forças que são exercidas sobre estas pás fazem com que estas girem em torno de um eixo. A ação do vento sobre um corpo pode ser definida por duas componentes de forças: o arrasto e a sustentação. A força de arrasto é a componente na direção da velocidade de vento relativa, enquanto a força de sustentação é a componente perpendicular a esta direção.

14 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas A velocidade de vento relativa Vr é calculada levando em conta o fator de interferência (a) sobre a velocidade de vento incidente (V) em uma turbina e o efeito da velocidade rotacional do rotor eólico (w) na periferia do círculo de raio R, vale: Vr = V ( 1 a) w. R Lembrando que nesta expressão todas as velocidades são vetores, pois possuem direções distintas.

15 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas As forças de sustentação (FL) e de arrasto (FD) são proporcionais à densidade do ar, à área das pás e ao quadrado da velocidade de vento relativa do aerofólio.

16 onde Princípios Operativos de Turbinas Eólicas A força resultante sobre o rotor eólico, no plano de rotação, que contribui para o conjugado desenvolvido pela pá, vale (Gimpel and Stodhart, 1958): F a = F θ cosθ L. sen FD. Onde: θ = α + β α= ângulo de ataque em relação ao plano de rotação (ângulo entre a velocidade de vento relativa e o eixo de simetria do perfil aerodinâmico) β = ângulo de passo do perfil aerodinâmico (ângulo entre o eixo de simetria do perfil aerodinâmico e o plano de rotação)

17 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas As pás de turbinas eólicas modernas são construídas utilizando perfis aerodinâmicos projetados para produzirem elevados coeficientes de sustentação. Um aerofólio apresenta uma borda de ataque e uma borda de fuga, cuja distância entre seus pontos extremos constitui a corda do perfil (que passa pelo eixo de simetria do perfil). Os perfis de turbinas eólicas modernas são em geral do tipo planoconvexo (Gottingen) ou biconvexo (NACA). Ao longo da estrutura da pá, esta pode apresentar uma torção para garantir um ângulo de ataque aproximadamente constante em toda sua extensão.

18 Princípios Operativos de Turbinas Eólicas As turbinas eólicas modernas apresentam um mecanismo de variação do ângulo de passo, a fim de controlar a velocidade e, portanto, regular a potência gerada, reduzindo-se o ângulo de ataque pelo aumento do ângulo de passo. Um bom projeto aerodinâmico possui: alta sustentação com baixo arrasto. Para o sistema eólico como um todo, o projeto estrutural é vital a fim de garantir uma operação confiável, por prolongado período (maior que 20 anos), com baixo custo de construção.

19 Classificação de Turbinas Eólicas Alguns critérios: direção do eixo de rotação em relação ao vento (eixo horizontal e eixo vertical); qualidade das forças predominantes (arrasto e sustentação); quantidade de material existente no rotor (baixa e alta solidez).

20 Eixo Horizontal

21 Eixo Vertical Turbina Savonius Predomina o arrasto; Alta solidez e baixa rotação; Baixa (Cpmax=10%); eficiência Utilizado em aplicações mecânicas e entreterimento; Simples construção; Inadequada para geração de eletricidade Turbinas Darrieus Predomina a sustentação; Turbina de baixa solidez; Alta rotação e eficiência; Não tem partida autônoma; Esforços mecânicos severos sobre as pás; Frenagem complexa Turbina não-comercial

22 Eixo Vertical Fonte:

23 Eixo Horizontal Fonte:

24 Solidez Um importante parâmetro do projeto de turbinas eólicas é a relação entre a área total das pás do rotor e a área varrida por estas, num perímetro correspondente a 70% do raio das pás. Este parâmetro adimensional é conhecido por solidez (σ) e vale: σ = n. c 0. 7π D Onde: n = número de pás; c = corda a 0.7 do raio das pás (m); D = diâmetro do rotor (m).

25 Solidez A referência ao ponto de 70% do raio é utilizada, pois esta região das pás da turbina eólica sujeita aos maiores esforços estruturais. Pela análise de alguns projetos eólicos tem-se observado que a solidez pode fornecer informações mais detalhadas sobre a operação da turbina. Um rotor de alta solidez apresenta alto conjugado de partida e bom desempenho em baixas velocidades. Rotores de baixa solidez operam a velocidades elevadas, a rendimentos maiores e com pobre característica de partida. A solidez de turbinas eólicas modernas atinge valores entre 5% e 10%, já que devem ser projetadas para altas eficiências e altas velocidades o que implica aplicações direcionadas à geração de energia elétrica.

26 Características de Turbinas Eólicas A potência desenvolvida por uma turbina eólica depende da velocidade do vento e da velocidade rotacional. A relação entre a potência, a velocidade do vento e a velocidade rotacional são normalmente apresentadas por coeficientes adimensionais, a fim de tornar esta informação aplicável em diversas circunstâncias. Dois parâmetros adimensionais mais largamente utilizados para descrever estas relações são a relação de velocidades e o coeficiente de potência Cp. O primeiro é definido como: λ = w. R V onde: R (em metros) é o raio do rotor eólico, medido na ponta da pá; w (em radianos por segundo) é a rotação da turbina eólica; V é a velocidade de vento (em metros por segundo).

27 Características de Turbinas Eólicas O coeficiente de potência Cp, também chamado de rendimento aerodinâmico de uma turbina eólica, é um parâmetro adimensional normalmente expresso em função da relação de velocidades λ e do ângulo de passoβ, é definido como: C p = 1 2 Pt ρav 3 A dependência do coeficiente de potência com os parâmetros λ e β depende do projeto aerodinâmico e de uma série de procedimentos de construção das pás, Esta relação, apesar de muito utilizada nos modelos matemáticos para cálculo da energia gerada e nos estudos de integração de aerogeradores nas redes elétricas, representa uma relação matemática de difícil estimação prática.

28 Potencial Eólico

29 Potencial Eólico

30 Relação Teórica Cp(λ,β)

31 Características de Turbinas Eólicas Outro parâmetro adimensional importante é o coeficiente de conjugado, definido como: T C q = = 1 2 ρarv 2 C p λ onde: T (em Newton vezes metro)é o conjugado desenvolvido pelo rotor eólico.

32 Características de Turbinas Eólicas

33 Características de Turbinas Eólicas Pode-se verificar que a potência desenvolvida por um rotor eólico é nula (Cp = 0) em dois valores de relação de velocidades; quando o rotor está estacionário e quando a velocidade na ponta da pá é várias vezes maior que a velocidade do vento. A máxima eficiência (Cpmax) é obtida em um valor intermediário de relação de velocidades, λo (relação ótima de velocidades). De maneira análoga o conjugado desenvolvido pelo rotor é máximo (Cqmax) em uma determinada relação de velocidades, λqmax, o que determina a região de operação estável da turbina para λ > λqmax. A região de baixas relações de velocidades é caracterizada pelo "estolamento" das pás, isto é, a perda de sustentação que ocorre das seções externas da pá (ponta) para as internas (raiz da pá).

34 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica A quantidade de potência que pode ser extraída de um regime de vento depende da quantidade de energia disponível e de características operativas do equipamento de conversão da energia eólica. A potência de saída de um sistema de conversão de energia eólica é expresso por: P. C. ρ. A. V t p = Algumas estimativas da energia eólica extraível podem ser obtidas utilizando-se o valor médio do coeficiente de potência ou a característica Cp(V) de um rotor eólico característico, através da função de distribuição de probabilidade p(v), da seguinte forma: P t = = 3 2 ρ. A. Cp( V ). V. p( V ). dv 2 ρ. A. Cp( V ). V. p( V 0 )

35 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica Como a turbina eólica possui um valor de máximo coeficiente de potência (Cpmax) que ocorre em uma dada relação de velocidades λo para cada ângulo de passo, é importante avaliar o que representa a operação em pontos de Cpmax. Além disto, devido à operação em altas velocidades, os rotores de baixa solidez necessitam de dispositivos de controle e proteção a fim de garantir confiabilidade e segurança aos equipamentos. Uma turbina eólica, operando a relação de velocidades constantes, apresenta uma concordância linear entre a velocidade rotacional e a velocidade de vento, o que conduz a uma característica de potência dependente do cubo da rotação, e pode ser deduzida pela expressão : P t = ρ. AV.. C = ρ. A. R. w. p max C p max 3 o λ

36 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica Torna-se difícil prever uma carga cuja potência consumida varie de forma cúbica em ampla escala de rotação. Além disto, os próprios equipamentos de geração elétrica não operariam acima de sua potência nominal. Assim é usual limitar a potência desenvolvida por uma turbina eólica, de modo que, a partir da velocidade nominal de projeto VR, a rotação e, portanto a potência, permaneçam aproximadamente constantes. Esta limitação de potência pode ser implementada por diversas maneiras, entre elas: o sistema de variação do passo (em turbinas de passo variável- controle de passo passivo ou ativo) e o controle por "stall" (em turbinas de passo fixo). A variação do passo consiste no aumento do ângulo de passo da pá, β, com o aumento da rotação, levando a uma redução no ângulo de ataque, que reduz a sustentação e o rendimento aerodinâmico de turbina.

37 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica Efeito da variação do ângulo de passo nas características de Cp de uma turbina típica.

38 Características de Potência Gerada em uma Turbina Eólica

39 Características Operacionais de uma Turbina Eólica Das informações apresentadas anteriormente, pode-se definir algumas características operacionais necessárias para uma aerogerador: Operação em máxima eficiência aerodinâmica (Cpmax), principalmente em ventos baixos até o vento nominal; A partida de uma aerogerador é bastante favorecida se o mecanismo de passo ajusta o ângulo β para altos valores (altos valores de Cq e altos conjugados de partida); Acima da velocidade nominal, a potência gerada e a rotação devem ficar limitadas evitando sobrecarga no gerador ou sobrevelocidades que podem significar sobretensões; Acima de um valor superior de velocidade de vento é importante desligar o aerogerador, reduzindo esforços excessivos sobre as pás.

40 Características Operacionais de uma Turbina Eólica Estas considerações estabelecem uma característica operacional Potência x velocidade de vento particularmente constituída. Nesta algumas velocidades de vento são definidas, pois representam pontos de transição da característica: VC velocidade de vento inicial ou de cut-in ; VR velocidade de vento nominal; VF velocidade de vento máxima ou velocidade de cut-out ou de furling ;

41 Características Operacionais de uma Turbina Eólica

42 Características Operacionais de uma Turbina Eólica Suzlon

43 Características Operacionais de uma Turbina Eólica IMPSA/Vensys