Processamento da Energia Eólica Professor: Marcello Mezaroba Dr. Email: marcello.mezaroba@udesc.br Maio de 2016
Sumário I. Componentes de um aerogerador de eixo horizontal II. Funcionamento de um gerador eólico horizontal III. Ação aerodinâmica em aerogeradores IV. Controle de velocidade e potência V. Principais tecnologias de aerogeradores VI. Principais conversores para acionamento VII.Funcionalidades de geradores eólicos modernos VIII.Futuras tecnologias
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
Funcionamento de um gerador eólico horizontal
Forças atuantes em uma pá de aerogerador
Ação aerodinâmica em perfis estacionários Efeito Bernoulli C w Coeficiente de sustentação (depende do ângulo de ataque (α) e da turbulência v Velocidade do vento A Área da superfície ρ Densidade do ar
Ação aerodinâmica em perfis estacionários Perfil aerodinâmico Fx - Força de Arrasto (drag) Fy - Força de Sustentação (lift) Cx Coeficiente de arrasto Cy - Coeficiente de sustentação C y C x = 1 tg( )
Ação aerodinâmica em perfis em rotação v - velocidade estacionária u - velocidade de giro c - velocidade relativa do vento Fx - Força de Arrasto (drag) Fy - Força de Sustentação (lift) Fa- Força axial Fu- Força util (rotação)
Ação aerodinâmica em perfis em rotação
Teorema de Betz e potência Potência extraída do vento Coeficiente de potência v - Velocidade do vento antes das pás v o Velocidade do vento após as pás ρ - Densidade do ar A - Área coberta pelas pás da turbina eólica K = vo v Equação de Betz
Teorema de Betz e potência = u v = r v r - Raio da turbina - Velocidade angular da hélice β - ângulo de passo da turbina Potência máxima depende de
Controle de velocidade e potência Controle por estol (stall) O efeito de estol ocorre quando o fluxo de ar na superfície do perfil deixa, abruptamente, de fixar se à superfície, passando a girar em um vórtice irregular (turbulência) e assim a força de sustentação diminui. Estrutura de cubo do rotor simples Menor manutenção devido a um número menor de peças móveis Auto-confiabilidade do controle de potência. Sobrecarga mecânica nas hélices
Controle de velocidade e potência Controle por ângulo de passo (pitch) Esse controle é feito movendo se aletas em cada pá através de servomecanismos de modo a incrementar ou decrementar poucos graus cada vez que o vento mudar sua intensidade de modo a manter um ângulo ótimo para extração de potência para todas as velocidades do vento.
Controle de velocidade e potência Controle por ângulo de passo (pitch) Controle de ativo de potência ativo sob todas as condições de vento Ajuste de potência em função da massa específica do ar (grandes altitudes dos sítios, altas temperaturas) Maior produção de energia sob as mesmas condições (sem diminuição da eficiência na adaptação ao estol da pá) Partida simples do rotor pela mudança do passo Fortes freios desnecessários para paradas de emergência do rotor Cargas das pás do rotor decrescentes com ventos aumentando acima da potência nominal posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas pequenas em ventos extremos massas das pás do rotor menores levam a massas menores dos aerogeradores.
Diagrama de blocos do controle de um aerogerador
Controle de velocidade e potência
Mapa tecnológico de aplicações em turbinas eólicas
Principais tecnologias de aerogeradores CS velocidade constante com multiplicador e gerador de indução DFIG velocidade variável com multiplicador e gerador de indução com rotor bobinado e acionamento parcial DD EE velocidade variável com gerador síncrorono e acionamento total DD PM velocidade variável com gerador síncrono de ímãs permanentes e acionamento total GFC PM velocidade variável com multiplicador, gerador síncrono de ímãs permanentes e acionamento total GFC IG - velocidade variável com multiplicador, gerador de indução e acionamento total
Principais tecnologias de aerogeradores Gerador de indução com rotor gaiola de esquilo - CS Acionamento direto da rede Velocidade constante Necessita circuito de partida (inrush) Capacitores para compensação de reativos
Principais tecnologias de aerogeradores Gerador de indução com rotor bobinado - DFIG Caixa multiplicadora multiestágios Velocidade variável (60% a 110%) Gerador padrão de baixo custo Acionamento parcial (25% Pn) Possibilita MPPT
Principais tecnologias de aerogeradores Gerador Síncrono com acionamento direto - DD Acionamento eletrônico total Dispensa caixa multiplicadora Velocidade variável Menor manutenção Custo elevado
Principais tecnologias de aerogeradores Gerador síncrono de imãs permanentes Acionamento eletrônico total Utiliza caixa multiplicadora Velocidade variável Custo elevado Melhor comportamento durante falhas na rede.
Principais conversores para acionamento Conversor back to back com inversor de tensão 2 níveis (2L-BTB)
Principais conversores para acionamento Conversor back to back com inversores em paralelo (Parallel 2L-BTB)
Principais conversores para acionamento Conversor back to back com inversor de tensão 3 níveis (3L-NPC BTB)
Estrutura de Controle para aerogeradores Aerogeradores com velocidade constante
Estrutura de Controle para aerogeradores Aerogeradores com velocidade variável
Estrutura de Controle para aerogeradores Controle de turbinas modernas
Funcionalidades de geradores eólicos modernos
Funcionalidades de geradores eólicos modernos Operação em conjunto com armazenamento de energia
Funcionalidades de geradores eólicos modernos Operação em conjunto com armazenamento de energia
Principais configurações para despacho de energia
Futuras tecnologias para transmissão da energia eólica Conversores com isolação em média frequência Conversores multiníveis modulares sem isolação
Referências Bibliográficas 1. F. Blaabjerg and K. Ma, "Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 1, no. 3, pp. 139-152, Sept. 2013. 2. H. Polinder, "Overview of and trends in wind turbine generator systems," 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, San Diego, CA, 2011, pp. 1-8. 3. L. Y. Pao and K. E. Johnson, "A tutorial on the dynamics and control of wind turbines and wind farms," 2009 American Control Conference, St. Louis, MO, 2009, pp. 2076-2089. 4. H. Polinder, J. A. Ferreira, B. B. Jensen, A. B. Abrahamsen, K. Atallah and R. A. McMahon, "Trends in Wind Turbine Generator Systems," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 1, no. 3, pp. 174-185, Sept. 2013. 5. Gabriel Tibola. Sistema eólico de pequeno porte para geração de energia elétrica com rastreamento da máxima potência. 2009. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina. 6. Daniel Augusto Figueiredo Collier. Modelagem e Controle de Retificadores PWM Trifásicos Conectados a Geradores Síncronos a Ímas Permanentes em Sistemas de Conversão de Energia Eólica. 2011. Dissertação (Mestrado em Eng. Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina. 7. Energia Eólica - Princípios e Tecnologias e-book Organização: Ricardo Dutra 8. http://www.alternative-energy-tutorials.com/wind-energy/synchronous-generator.html 9. http://www.homofaciens.de/technics-electric-motors-synchronous-motor_en_navion.htm 10. https://www.comsol.com/blogs/simulating-permanent-magnet-generators/ 11. https://www.youtube.com/watch?v=p5k2lhkbsgq