Paulo Roberto Rodrigues Energias Renováveis Energia Eólica Organizadores José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra Youssef Ahmad Youssef Consórcio de Universidades Européias e Latino-Americanas em Energias Renováveis JELARE
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Sumário 1. Introdução.................................................................... 7 2. Energia Eólica................................................................. 8 Origem do vento e sua classificação..........................................8 Velocidades médias e fluxos de potência eólica............................ 12 Como avaliar a velocidade do vento........................................ 13 Potência gerada por uma turbina eólica.................................... 14 3. Sistemas Eólicos..............................................................15 Tipos de Rotores........................................................... 16 Transmissão e Caixa Multiplicadora........................................ 19 Mecanismo de Controle.................................................... 21 Tipos de geradores empregados na geração eólica......................... 23 Medições da velocidade do vento e perfis do vento........................ 25 Estimativa de produção de energia......................................... 27 Princípio e tecnologia...................................................... 29 4. Aplicações dos Sistemas Eólicos..............................................32 Sistemas Isolados........................................................... 32 Sistemas Híbridos.......................................................... 33 Sistemas interligados à rede................................................ 34 Sistemas Off-Shore - Energia eólica no mar................................. 34 5. Qualidade da Energia........................................................35 6. A Energia Eólica no Mundo..................................................36 7. O Brasil e a Energia Eólica....................................................39 8. Investimentos para aplicações da Energia Eólica..............................42 9. Vantagens e desvantagens da Energia Eólica..................................44 10. Considerações finais........................................................47 Referências bibliográficas.......................................................49 Referências de ilustrações e tabelas.............................................51
ENERGIA EÓLICA l 7 1. Introdução Em um significado amplo, a Física é o estudo da natureza, entendendo como tal tudo aquilo que existe no universo, independentemente da própria existência do ser humano. Dentro desse conceito, existem acontecimentos que são suscetíveis de serem vistos ou sentidos, e que podem ser comparados com outros de uma forma em que se possa expressar numericamente essa relação, ou seja, os fenômenos medíveis. Agrupando-se esses fenômenos segundo sua espécie ou classe, chegamos ao conceito de grandeza. Como exemplos de grandezas fundamentais têm-se o tempo, o espaço, a massa, a intensidade de corrente elétrica, a temperatura absoluta e a intensidade luminosa. Ao fazermos a comparação ou a relação entre elas, surge a necessidade de definir um conceito geral que possa expressar essas relações de uma forma sistemática, para que seja possível estudá-las e explorá-las de acordo com nossas necessidades. A esse conceito dá-se o nome de energia. A energia pode ser definida como a capacidade de produzir ou a capacidade de se realizar um trabalho. A energia não se cria do nada; ela já existe em nosso universo e o que ocorre é a sua transformação de uma forma para outra ou outras. Tipos de energia atualmente conhecidos: Atômica ou nuclear, cinética, potencial, calorífica ou calorífera, elétrica, radiante, química, mecânica, luminosa, geotérmica, eólica e solar. Todas as questões envolvendo energia compõem um dos grandes tormentos do mundo de hoje: o aproveitamento desta ainda não atingiu um nível satisfatório, visto que a imensa maioria da energia utilizada no planeta é de origem não renovável, seja de fonte mineral, atômica ou térmica. A energia pode ser utilizada de forma mais civilizada e menos dispendiosa, por meio de fontes renováveis como a energia hidroelétrica, eólica, solar, das marés, geotérmica e outras mais. Dentre os tipos de energia renovável, este estudo centrará seu foco na energia eólica.
8 l ENERGIA EÓLICA 2. Energia Eólica O termo eólico vem do latim aeolicus, pertencente ou relativo à Eólo, Deus dos ventos na mitologia grega. A força dos ventos é uma fonte de energia já conhecida e utilizada há milhares de anos para girar as pás de moinhos e, assim, obter energia eólica. Agora, esse tipo de energia é pesquisado para gerar eletricidade. Atualmente, já existem no mundo cerca de 20 mil geradores que produzem eletricidade a partir da força do vento. Figura 1 Moinho 1 Para que possamos estudar a energia eólica é importante antes conhecermos a origem, a velocidade e a potência proporcionada pelo elemento gerador desse tipo de energia: o vento. Origem do vento e sua classificação A energia eólica provém da radiação solar uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma estimativa da energia total dos ventos disponível ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que aproximadamente 2% da energia solar absorvida pela Terra são convertidas em energia cinética dos ventos. Esse percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo. O vento e as influências Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos entre os quais se destacam a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo. A energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol. As mais diversas formas de energia são, de alguma maneira, originadas pela influência da luz solar em processos físicos, químicos ou biológicos, com as poucas exceções de alguns seres microscópicos que vivem próximos às zonas vulcânicas submersas, delas tirando seu sustento vital.
ENERGIA EÓLICA l 9 A origem da energia que o Sol produz e irradia está nas reações nucleares que se realizam ininterruptamente em seu interior, a partir da monstruosa pressão existente em seu núcleo. Nessas reações, os átomos de hidrogênio, que é o elemento mais abundante do Sol, se combinam para formarem átomos de hélio. Ao mesmo tempo, uma pequena parte da massa desses átomos se converte em energia, sendo daí irradiada em todas as direções do espaço. Apesar de o Sol também emitir partículas materiais, a maior parte da energia irradiada é transportada na forma de ondas eletromagnéticas (os fótons). Como o Sol é 334.000 vezes maior do que a Terra e pelo fato de a energia radiante se dispersar à medida que se afasta de sua fonte de emissão, a Terra acaba por receber somente dois milionésimos de toda a energia emitida por essa estrela. Mesmo assim, apenas quatro dias dessa pequena fração podem ser comparados a toda a energia possível de ser produzida em nosso planeta por todas as fontes de combustíveis fósseis existentes. E se considerarmos a energia total emitida pelo Sol, no breve intervalo de um segundo ele irradia muito mais energia do que a que foi consumida por toda a raça humana, desde o princípio de sua evolução até os nossos dias. O Sol é uma estrela relativamente jovem, com cerca de cinco bilhões de anos. Presume-se que deva durar ainda outros cinco bilhões de anos, ou um pouco mais. Figura 2 Sol 2 Além da manutenção das formas de vida, é a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas (observe como se dá este ciclo na Figura 3), o que possibilita a alimentação dos rios e o seu represamento para a produção de eletricidade ou para o consumo.
10 l ENERGIA EÓLICA Figura 3 Ciclo da águas 3 A radiação solar também induz a formação dos ventos, o que permite a circulação atmosférica em larga escala por todo o planeta. Os ventos acontecem devido ao aquecimento diferenciado da atmosfera. A não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra. As regiões tropicais, que recebem os raios solares quase que perpendicularmente, são mais aquecidas do que as regiões polares. Consequentemente, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento de massas de ar determina a formação dos ventos. A Figura 4 a seguir apresenta esse mecanismo. Origem do vento O vento atmosfera em movimento tem sua origem na associação entre a energia solar e a rotação planetária. Todos os planetas envoltos por gases em nosso sistema solar demonstram a existência de distintas formas de circulação atmosférica e apresentam ventos em suas superfícies. Trata-se de um mecanismo solar-planetário permantente; sua duração é mensurável na escala de bilhões de anos, por esta razão, o vento é considerado fonte renovável de energia.
ENERGIA EÓLICA l 11 Altas pressões polares Baixas pressões subpolares Altas pressões subtropicais Baixas pressões equatoriais Altas pressões subtropicais Baixas pressões subpolares Altas pressões polares Figura 4 Distribuição geral dos ventos 4 A diferença de temperatura entre a camada próxima da superfície da terra aquecida pelos raios solares e as camadas superiores da nossa atmosfera gera correntes convectivas. A energia da radiação solar, sendo responsável pelo movimento convectivo do ar, direciona as correntes da nossa atmosfera, que sobem no equador e descem nos polos, condensando vapores, precipitando energia sob a forma de chuva. As correntes ascendentes do equador são mais intensas do que as das outras zonas da terra, por isso produzem ventos de 30 a 50 km horários, e a rotação da terra interfere na direção dos ventos, entre os polos e o equador, provocando uma resultante inclinada em relação à perpendicular pelo equador. Perturbações magnéticas solares produzem os ventos de grandes altitudes, conhecidos pelos aeronautas como tempestades de céu claro. Estudos mais acurados comprovaram existirem as correntes de grandes altitudes, utilizadas para economizar combustível nos voos intercontinentais. Os centros de baixa pressão que ocorrem na superfície da terra produzem correntes ascendentes de 100 milhas por hora e ventos de superfície de igual intensidade, convergentes para o centro de baixa pressão, que, influenciados pelos desvios da rotação da terra, geram movimentos rotacionais, conhecidos como furacões, tão comuns na região do equador.
12 l ENERGIA EÓLICA Na região sul do Brasil, por exemplo, estão os planaltos do sul, que se estendem aproximadamente de 24 o S (São Paulo) até os limites ao sul do Rio Grande do Sul. O escoamento geral atmosférico nessa área é controlado pela depressão do nordeste da Argentina, uma área quase permanente de baixas pressões, geralmente estacionárias ao leste dos Andes sobre planícies secas e o anticiclone subtropical Atlântico. A posição média da depressão do nordeste da Argentina é de aproximadamente 29 o S e 66 o W, sendo criada pelo bloqueio da circulação atmosférica geral pelos Andes e por intenso aquecimento da superfície na região. O gradiente de pressão entre a depressão do nordeste da Argentina e o anticiclone subtropical atlântico induz a um escoamento persistente de nordeste ao longo dessa área. Desse escoamento resultam velocidades médias anuais de 5.5 m/s a 6.5 m/s sobre as grandes áreas da região. Entretanto, esse escoamento é significativamente influenciado pelo relevo e pela rugosidade do terreno. Os ventos mais intensos estão entre 7m/s e 8m/s e ocorrem nas elevações montanhosas do continente, bem como em planaltos de baixa rugosidade, como os campos de Palmas (PR-SC). Outra área com velocidades superiores a 7m/s encontra-se ao longo do litoral Sul, (Laguna, Imbituba SC), onde os ventos predominantes leste-nordeste são acentuados pela persistente ação diurna das brisas marinhas. Velocidades médias e fluxos de potência eólica Apresentamos no Gráfico 1 a seguir a relação entre as alturas e velocidades de ventos nas diferentes áreas (urbana, subúrbio ou nível do mar). 600 velocidade do vento altura (m) 450 300 100% velocidade do vento 100% 85% velocidade do vento 100% 90% 150 50% 30% 50% 65% Área urbana Subúrbios Litoral Gráfico 1 Relação de velocidade do vento X altura 5 Com esse esquema, podemos perceber que regiões que possuem construções elevadas como prédios só atingem velocidades razoáveis de vento após uma elevada altura. Já nas áreas em que só existem casas e pequenas construções, essa taxa
ENERGIA EÓLICA l 13 diminui e, assim, em alturas um pouco menores já temos ventos satisfatórios. No último caso mostrado, ao nível do mar, se vê que os ventos já são muito mais rápidos em altitudes menos elevadas que nos exemplos anteriores. Como avaliar a velocidade do vento Por ser um fenômeno natural, o vento pode variar dependendo do dia e da estação do ano. Para um bom aproveitamento do vento não se deve ter nenhum obstáculo como morros, mata fechada, prédios etc. Observando a Tabela 1, você poderá ter uma ideia de como é o vento na sua região. Tabela 1 Classificação dos ventos 6 Escala Denominação Velocidade em m/s Avaliação do vento em terra 0 Calmo 0 a 0,4 1,44 Km/h 1 Quase calmo 0,5 a 1,5 1.8-5.4 Km/h 2 Brisa leve 1,6 a 3,4 6-12 Km/h 3 Vento fresco 3,5 a 5,5 13-20 Km/h Não se nota nenhum movimento nos galhos das árvores. A direção da fumaça sofre um pequeno desvio. As folhas são levemente agitadas. As folhas ficam em agitação contínua. 4 Vento moderado 5,6 a 8 20.6-29 Km/h Poeira e pedaços de madeira são levantados. 5 Vento regular 8,1 a 10,9 29-39 Km/h As árvores pequenas começam oscilar. 6 Vento meio forte 11,4 a 13,9 41-50 Km/h Galhos maiores ficam agitados. 7 Vento forte 14,1 a 16,9 50-60 Km/h Torna-se difícil andar contra o vento. 8 Vento muito forte 17,4 a 20,4 61-73 Km/h Fica impossível andar contra o vento. 9 Ventania 20,5 a 23,9 74-86 Km/h 10 Vendaval 24,4 a 28 88-100 Km/h 12 Furacão 83,0 a 125 298-450 Km/h Telhas podem ser arrancadas. Árvores são derrubadas. Produzem efeitos devastadores.
14 l ENERGIA EÓLICA Potência gerada por uma turbina eólica Existe uma regra que dá a potência gerada pelos cata-ventos e turbinas de vento. É importante ressaltar que esta regra é teórica e, na prática, não conseguimos converter toda essa potência (teórica) em potência útil. Em condições ideais o valor máximo teórico da energia contida no fluxo de ar que pode ser extraída por uma turbina eólica é de aproximadamente 59,3%; a esse percentual dá-se o nome de coeficiente de potência (C p ). Sob condições reais, o coeficiente de potência alcança não mais do que 50%, porque inclui todas as perdas aerodinâmicas do aerogerador. Tentaremos apresentar de forma sucinta esta fórmula: Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo: P = W t mas o trabalho realizado pelo vento, que neste caso é igual a sua energia cinética, é: W = E = c mv 2 Substituindo na primeira equação temos: mv 2 P = = t mv 2 t mas como, temos: m t = p V A P = pv A 2 Onde ρ é a densidade do ar em Kg/m 3, V é a velocidade do vento e A é a área varrida pelas hélices do rotor. Talvez seja essa a fórmula mais importante para se conhecer o aproveitamento da energia eólica. Como não conseguimos extrair toda a potência contida no vento e por existirem perdas mecânicas e aerodinâmicas, a fórmula se transforma em: Onde: η - eficiência do conjunto gerador/transmissão C p - coeficiente aerodinâmico de potência do rotor
ENERGIA EÓLICA l 15 Analisando a fórmula anterior e supondo um aerogerador onde a velocidade do vento passa de 10 km/h para 11 km/h (aumento de 10%), a potência se eleva em 33%, o que mostra como é importante a escolha de um lugar com ventos mais velozes para o melhor aproveitamento da energia eólica. 3. Sistemas Eólicos Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia, de forma a propiciar um maior rendimento final. Para efeito de estudo global da conversão eólica devem ser considerados os seguintes componentes:»» Vento: disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico.»» Rotor: responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação.»» Transmissão e Caixa Multiplicadora: responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam este componente; nesse caso, o eixo do rotor é acoplado diretamente à carga.»» Gerador Elétrico: responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica.»» Mecanismo de Controle: responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga etc.»» Torre: responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura conveniente.»» Transformador: responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica.»» Acessórios: são os componentes periféricos.
16 l ENERGIA EÓLICA Figura 5 Sistema eólico 7 Tipos de Rotores Os aerogeradores costumam ser classificados pela posição do eixo do seu rotor, que pode ser vertical ou horizontal. A seguir, mencionaremos os principais modelos relativos aos tipos de classificação mencionados.
ENERGIA EÓLICA l 17 Eixo Horizontal Esta disposição necessita de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente onde tem muita mudança na direção dos ventos. Os principais modelos diferem quanto às características que definem o uso mais indicado, sendo eles: Figura 6 Gerador eólico 2Mva 8 Figura 7 Moinho com rotor multipás 9»» Rotor multipás - atualmente representa a maioria das instalações eólicas, tendo sua maior aplicação no bombeamento d água. Suas características tornam seu uso mais próprio para aeromotores, pois dispõe de uma boa relação torque de partida/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, que não é das melhores, tornando esse tipo pouco indicado para geração de energia elétrica. Com o desenvolvimento da eletrônica, os sistemas atuais podem ser facilmente projetados para uma faixa de velocidade bastante ampla e com um rendimento bastante satisfatório, passando o fator determinante a ser a potência obtida pelo rotor em relação à área de varredura, em que os modelos de duas e três pás se destacam com um rendimento muito superior.
18 l ENERGIA EÓLICA»» Rotor de três ou duas pás - é praticamente o padrão de rotores utilizados nos aerogeradores modernos, isso se deve a grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás (embora isso só ocorra em velocidades de vento superiores), pois além do seu rendimento máximo ser o melhor entre todos os tipos, situa-se em velocidades mais altas. Figura 8 Desenho de rotores de duas ou três pás 10»» Rotor de uma pá a razão para o desenvolvimento de aerogeradores com uma pá é diminuir com uma alta velocidade rotacional o número de pás do rotor e, com isso, diminuir o custo dos aerogeradores. Mas devido ao fato de esse tipo de rotor possuir um desbalanceamento aerodinâmico que introduz movimentos adicionais, ele provoca cargas extras e necessita de construções de eixos complicados (juntas, amortecedores etc) para manter os movimentos sob controle. Figura 9 Rotor de uma pá 11 A principal desvantagem para a sua aplicação comercial é o alto nível de ruído aerodinâmico do rotor, causado por uma velocidade de ponte de pá de cerca de 120m/s. Comparando com os rotores de três pás, essa velocidade de ponta é duas vezes mais elevada, o que significa que os aerogeradores de uma pá são muitas vezes mais barulhentos do que os de três pás. Ao menos na Alemanha, com sua
ENERGIA EÓLICA l 19 alta densidade populacional, esses aerogeradores barulhentos não têm chance no mercado. Muitas pessoas também reclamam que uma só pá girando proporciona um distúrbio visual na paisagem. Algumas comunidades na Alemanha, portanto, não permitem a montagem de rotores de uma pá. Eixo Vertical A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de mecanismo de direcionamento, sendo evidenciada nos aerogeradores por simplificar bastante os meios de transmissão de potência. Como desvantagens, apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de rotação, terem constantemente alterados os ângulos de ataque e de deslocamento em relação à direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que além de limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda a sua estrutura. Figura 10 Rotores com eixo vertical 12 Transmissão e Caixa Multiplicadora A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos. A figura abaixo apresenta a localização da caixa multiplicadora dentro do sistema de geração eólica.
20 l ENERGIA EÓLICA Figura 11 Corte de gerador eólico 13
ENERGIA EÓLICA l 21 O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais. A velocidade angular dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a 150 RPM, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto, geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham a rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1200 a 1800 RPM), tornando necessária a instalação de um sistema de multiplicação entre os eixos. Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construir turbinas eólicas. Assim, ao invés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão, necessárias para alcançar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores múltiplos de baixa velocidade e grandes dimensões. Vantagens e desvantagens Os dois tipos de projetos possuem vantagens e desvantagens e a decisão de utilizar o multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é antes de tudo uma questão de filosofia do fabricante. Mecanismo de Controle Os mecanismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga). Devido à atuação das forças aerodinâmicas nas pás do rotor, uma turbina eólica converte a energia cinética do vento em energia mecânica rotacional. Essas forças aerodinâmicas são geradas ao longo das pás do rotor que necessitam de perfis especialmente projetados e que são muito similares àqueles usados para asas de aviões. Controle aerodinâmico Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência nominal do aerogerador. São chamados de Controle Stall e Controle de Passo - Pitch. No passado, a maioria dos aerogeradores usava o Controle Stall simples; atualmente, entretanto, com o aumento do tamanho das máquinas, os fabricantes estão optando pelo sistema de Controle de Passo - Pitch -, que oferece maior flexibilidade na operação das turbinas eólicas.
22 l ENERGIA EÓLICA Controle de Passo - Pitch O Controle de Passo é um sistema ativo que normalmente necessita de uma informação vinda do controlador do sistema. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada, devido a um aumento da velocidade do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras, as pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque. Essa redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâmicas atuantes e, consequentemente, a extração de potência. Para todas as velocidades do vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que a turbina produza apenas a potência nominal. Sob todas as condições de vento, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é bastante aderente à superfície produzindo sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto. Figura 12 Pá sobre ação do vento 14 Sob todas as condições de vento, o fluxo em torno dos perfis da pá do rotor é bem aderente à superfície, produzindo, portanto, sustentação aerodinâmica a pequenas forças de arrasto. Controle Stall Controle Stall é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem girar em torno de seu eixo longitudinal. O ângulo de passo é escolhido de forma que, para velocidades de vento superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá (Stall), reduzindo as forças de sustentação e aumentando as forças de arrasto. Sob todas as condições de ventos, superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é, pelo menos parcialmente, descolado da superfície produzindo menores forças de sustentação e elevadas forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos atuam contra um aumento da potência do rotor.
ENERGIA EÓLICA l 23 Figura 13 Pá sobre ação do vento 15 Turbinas com Controle Stall são mais simples do que as de Controle de Passo porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo. Tipos de geradores empregados na geração eólica Os primeiros geradores instalados no final dos anos 1980 e início dos anos 1990 encontravam-se equipados com máquinas de indução de rotor em gaiola (MIRG). Esses geradores caracterizavam-se por possuírem uma velocidade de rotação praticamente constante e por possuírem caixas de velocidade para adaptação da velocidade de rotação nominal da turbina (cerca de 38 rpm) à velocidade de sincronismo da máquina de indução (tipicamente 1500 rpm). O controle da potência mecânica era conseguido por meio do desenho das pás, denominadas turbinas tipo Stall. A máquina de indução com o rotor em gaiola funciona como gerador nas situações em que a velocidade angular do rotor é superior à velocidade angular do campo girante, ou seja, para escorregamentos negativos. Diagrama Gerador Eólico máquina de indução Vento Rotor Cx. Velocidade Gerador Transformador MIRG Anenômetro Stall Sensor de direção Controlador Figura 14 Diagrama Gerador Eólico máquina de indução 16
24 l ENERGIA EÓLICA Diagrama Gerador Eólico Máquinas Síncronas Vento Rotor Excitação Transformador MS Gerador Anenômetro Pitch Velocidade Sensor de direção Controlador Figura 15 Diagrama Gerador Eólico máquinas síncronas 17 No final da década de 1990 foram instalados geradores eólicos equipados com máquinas síncronas (MS), operadas à velocidade variável. Eles se caracterizavam pela ausência de caixa de velocidades, sendo a adaptação da frequência das grandezas elétricas do gerador a frequência da rede, realizada por meio de um sistema de conversão corrente alternada / corrente contínua / corrente alternada (ca/cc/ca). As turbinas que equipam esses geradores são do tipo Pitch (Controle de Passo). No final dessa mesma década (anos 1990) foram instalados geradores eólicos equipados com máquinas de indução com rotor bobinado (MIDA), em que existia a possibilidade de variar uma resistência colocada em série com o rotor da máquina e, consequentemente, a gama de variação de velocidade do rotor. As turbinas que equipam esses aerogeradores são do tipo Pitch, sendo a adaptação da velocidade do rotor da turbina ao rotor da máquina de indução realizada por meio de uma caixa de velocidades. Diagrama Gerador Eólico máquinas ind. rotor bobinado Vento Rotor Cx. Velocidade MIDA Gerador Excitação Transformador Anenômetro Pitch Sensor de direção Controlador Figura 16 Diagrama Gerador Eólico maquinas ind. rotor bobinado 18
ENERGIA EÓLICA l 25 Medições da velocidade do vento e perfis do vento A medição da velocidade do vento é o ponto mais crítico para a avaliação do recurso de vento, determinação do desempenho e predição da energia anual gerada. Em termos econômicos, erros traduzem-se diretamente em risco financeiro. Não há outro setor em que a importância das incertezas nas medições da velocidade do vento seja tão grande como na energia eólica. Devido à falta de experiência, muitas medições de velocidade do vento possuem incertezas inaceitavelmente altas porque não são aplicadas boas práticas na seleção, calibração e montagem dos anemômetros e na seleção do local de medição. Anemômetro O anemômetro é um instrumento utilizado para medir a velocidade do vento. Figura 17 Anemômetro digital de bolso 19 Figura 18 Anemômetro analógico de torre 20 O anemômetro analógico de torre fica instalado no local, possui três ou quatro braços, cujas extremidades são formadas por duas metades ocas de esferas que o vento faz rodar. O movimento de rotação aciona uma vareta central, que está ligada a um registrador usado para marcar a velocidade do vento. Tão importante quanto a calibração, é a seleção dos anemômetros. Anemômetros de má qualidade causam altas incertezas nas medições da velocidade do vento, mesmo se eles forem individualmente calibrados num túnel de vento. Figura 19 Anemômetro utilizado em aeroportos 21