PROJETO DE UM SISTEMA ON GRID DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXOVERTICAL PARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

Erik Fragoso Krug Pimentel

Projeto de Graduação apresentado ao Cursode Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,Universidade Federal do Rio de Janeiro, comoparte dos requisitos necessários à obtenção dotítulo de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Jorge Luiz do Nascimento

Rio de JaneiroSetembro de 2018

PROJETO DE UM SISTEMA ON GRID DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXOVERTICAL PARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

Erik Fragoso Krug Pimentel

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DOCURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICADA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTEDOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DEENGENHEIRO ELETRICISTA.

Examinado por:

Prof. Jorge Luiz do Nascimento, D.Sc.

Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D.

Prof. Jean Hilaire Adebai Tomola, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASILSETEMBRO DE 2018

Fragoso Krug Pimentel, ErikPROJETO DE UM SISTEMA ON GRID

DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXO VERTICALPARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DEJANEIRO/Erik Fragoso Krug Pimentel. – Rio de Janeiro:UFRJ/ Escola Politécnica, 2018.

XIV, 91 p.: il.; 29, 7cm.Orientador: Jorge Luiz do NascimentoProjeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Elétrica, 2018.Referências Bibliográficas: p. 78 – 82.1. Energia Eólica. 2. TEEV. 3. Geração Distribuída.

I. do Nascimento, Jorge Luiz . II. Universidade Federal doRio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de EngenhariaElétrica. III. Título.

iii

Aos meus pais, meu irmão e aminha namorada...

iv

Agradecimentos

Após essa longa e dura jornada, não são poucos os agradecimentos que devo.Primeiramente agradeço a meu pai, Roberto da Silva Cardoso Pimentel por todoapoio, incentivo, cobrança e conselhos, além de todo investimento que permitiu queeu ingressasse na Universidade Federal do Rio de Janeiro e que concluísse o cursode Engenharia Elétrica.

Agradeço à minha mãe, Monica Fragoso Krug Pimentel por ter me dado todaestrutura emocional e psicológica, por todo carinho, por todos os eternos perdões epor todo o suporte durante essa longa caminhada.

Agradeço a meu irmão Patrick Fragoso Krug Pimentel, por toda parceria e com-panheirismo de sempre, e que os meus erros e acertos sirvam para ele sempre, oajudando a tomar as decisões corretas na sua vida.

Agradeço à minha namorada, Anna Clara Leite de Souza, por todo amor, carinhoe cuidado, por ter estado ao meu lado nas horas mais difíceis e sempre ter me dadoforças a cada tombo, para levantar e alcançar o meu objetivo.

Agradeço a todos meus amigos que em algum momento estiveram ao meu lado,estudando junto, se ajudando, se consolando nas reprovações e comemorando asaprovações. A lista é longa, espero que todos que não estejam nela se sintam re-presentados. Agradeço à Desirée, Wen, Camilla, Guilherme, Leonardo, Vinicius,Fernando, Ricardo, Pedro Guarda, Pedro Vecchiati, Pedro Porto, Lorran, Napoli,Rafael, Alexandre e todos os outros que desde o início sofreram junto comigo.

Também agradeço à Marcela, Bia, Hugo, Rodrigo, Pedro Neiva, Pedro Fernandes,Yuri, Edson, Diogo, Mike, Pedro Franklin, Tauã, Blenda, Julia, Priscila, Tamiris,Isabella, Carolina, Marcus e todos os amigos que fiz durante esse caminho e tambémforam imprescindíveis para o meu sucesso no curso.

Ainda gostaria de um agradecimento especial ao Vinicius Figueiredo, pela ajudaprovidencial no meu trabalho de conclusão de curso e Felipe Cabral por me ajudarmuito com o LaTex.

Por último gostaria de agradecer a meus mestres especialmente, Heloi, Aredes,Rolim, Walter, Lopes, Sergio, Marcos, Markus, Karen e especialmente a Kátia Luci-ana e meu orientador Jorge Luiz do Nascimento, esse último pela amizade, paciênciae todo conhecimento passado.

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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ comoparte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

PROJETO DE UM SISTEMA ON GRID DE GERAÇÃO EÓLICA DE EIXOVERTICAL PARA RESIDÊNCIAS NO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

Erik Fragoso Krug Pimentel

Setembro/2018

Orientador: Jorge Luiz do Nascimento

Curso: Engenharia Elétrica

Devido ao alto custo da energia elétrica no Brasil, hoje cada vez mais a geraçãodistribuída vem ganhando espaço entre os consumidores do país. A energia eólicaé vista hoje como uma das principais fontes de energia renovável e que não geragrande impacto no meio ambiente. E que aos poucos vai se tornando cada vez maispopular.

Esse trabalho se propõe em utilizar a energia dos ventos para atender partesignificativa da carga elétrica de uma casa de classe média no estado do Rio deJaneiro. O projeto tem como objetivo dimensionar um sistema de aerogeradores depequeno porte, com modelos já existentes no mercado e verificar se haverá retornofinanceiro.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillmentof the requirements for the degree of Engineer.

PROJECT OF A SYSTEM IN THE VERTICAL AXLE WIND GENERATIONNETWORK FOR RESIDENCIES IN THE STATE OF RIO DE JANEIRO

Erik Fragoso Krug Pimentel

September/2018

Advisor: Jorge Luiz do Nascimento

Course: Electrical Engineering

Due to the high cost of electricity in Brazil, today, more and more distributedgeneration has been gaining space among the country’s consumers. Wind energy istoday seen as one of the main sources of renewable energy and it does not generatemuch impact on the environment. And that gradually becomes more and morepopular.

This work proposes to use the energy of the wind to provide a significant partof the electric charge of a middle class house in the state of Rio de Janeiro. Theproject aims to size a small wind turbine system, with models already in the marketand to verify if there will be a financial return.

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Sumário

Lista de Figuras x

Lista de Tabelas xiv

1 Introdução 11.1 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Relevância . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Histórico e Potenciais Eólicos 82.1 O Vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2 A Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3 Histórico da Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4 Potencial Eólico no Mundo Atual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5 Potencial Eólico Brasileiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.6 Potencial Eólico no estado do Rio de Janeiro . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Turbinas Eólicas 243.1 Turbinas de Eixo Horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2 Turbinas de Eixo Vertical (TEEV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2.1 Turbina Darrieus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.2 Savonius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.3 Darrieus-Savonius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3 Densidade do Ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.4 Potencial do Vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.5 Potencial Aproveitável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.6 Coeficiente de Velocidade Específica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.7 Solidez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.8 Curva de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.9 Tipos de Geradores Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

viii

3.9.1 Gerador de Indução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.9.2 Gerador Síncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4 Projeto Proposto 484.1 Ventos no Local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2 Consumo de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.3 Dimensionamento do aerogerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.3.1 Escolha do Tipo de Turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.3.2 Escolha do Tipo de Gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.3.3 Cálculo das dimensões da turbina . . . . . . . . . . . . . . . . 624.3.4 Escolha do Gerador Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.3.5 Escolha do Conversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.4 Balanço de Energia entre Geração e Carga Elétrica . . . . . . . . . . 694.5 Custo do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5 Conclusões 76

Referências Bibliográficas 78

A Turbina Eólica 83

B Gerador 88

C Retificador 89

D Inversor 90

ix

Lista de Figuras

1.1 Ranking de custo de energia para a indústria FIRJAN, [1] . . . . . . 11.2 Variação da conta de luz e da inflação, [2] . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Matriz Elétrica Brasileira, dados de agosto de 2018, ABEEÓLICA [3] 31.4 Conexões de Geração Distribuída ao longo dos anos, ASTRASOLAR[4] 41.5 Conexões de GD por fonte, ASTRASOLAR [4] . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Circulação Atmosférica no Brasil, ATLAS EÓLICO RJ [5] . . . . . . 82.2 Esquema de escalas climáticas de áreas urbanas, OKE [6] . . . . . . . 92.3 Gráfico de Vento x Altura: efeito da rugosidade e estabilidade térmica

vertical, ATLAS EÓLICO RJ [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4 Moinhos de Vento de Kinderdijk, Holanda, FAGANELLO [7] . . . . . 112.5 Primeiros aerogeradores da história, XCEL ENERGY [8] . . . . . . . 122.6 Turbina Gedser - 200kW, WINPOWER [9] . . . . . . . . . . . . . . . 132.7 Evolução mundial da capacidade eólico-elétrica em GW até os anos

2000, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.8 Novas Instalações em 2017 / Maiores Geradores de Energia Eólica

Dec 17, GWEC [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.9 Capacidade Eólica Instalada Offshore, GWEC [11] . . . . . . . . . . . 152.10 Panorama Eólico Brasileiro, ABEEÓLICA [12] . . . . . . . . . . . . . 162.11 Potencial Eólico do Nordeste, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . 172.12 Potencial Eólico do Sudeste, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . 182.13 Potencial Eólico do Norte, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . . . 192.14 Potencial Eólico do Centro-Oeste, AMARANTE [10] . . . . . . . . . 192.15 Potencial Eólico do Sul, AMARANTE [10] . . . . . . . . . . . . . . . 202.16 Parques Instalados Por Estado, ABEEÓLICA [3] . . . . . . . . . . . 202.17 Mecanismos dominantes no regime de ventos fluminense, AMA-

RANTE [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.18 Potencial Eólico do Litoral Norte Fluminense, AMARANTE [5] . . . 222.19 Potencial Eólico do Litoral Região dos Lagos, AMARANTE [5] . . . . 232.20 Potencial Eólico do Litoral Região Metropolitana, AMARANTE [5] . 23

x

3.1 Parque eólico de São Francisco de Itabapoana, CGE Gargaú,OMEGA [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Turbina Darrieus de Lâmina Curva, BRAGA [14] . . . . . . . . . . . 263.3 Turbina Darrieus H, CARMO [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4 Variação do coeficiente de potência entre 3 modelos de TEEV,

SCHEURICH [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.5 Turbina Darrieus Helicoidal (VENCO-Twister-1000-T), VENCO [17] . 293.6 Modelo original da turbina Savonius, ISLAM [18] . . . . . . . . . . . 303.7 Diversos modelos de turbina Savonius, DÍAZ [19] . . . . . . . . . . . 303.8 Turbina Savonius de Conchas Retorcidas, CARMO [15] . . . . . . . . 313.9 A) DS Turbine, com Savonius de duas seções [20]; B) DS Turbine,

com Savonius de 3 pás [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.10 Densidade do Ar Média Anual, AMARANTE [5] . . . . . . . . . . . 323.11 Coeficiente de Potência X Coeficiente de Velocidade Específica das

diferentes turbinas, RESEARCHGATE [22] . . . . . . . . . . . . . . 343.12 Curva de Potência de um Aerogerador, SILVA e ABREU-HARBICH

[23] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.13 Diagramas em corte de máquinas de indução com rotor gaiola de

esquilo de pequeno e grande porte, CHAPMAN [24] . . . . . . . . . 383.14 Gráfico Torque × Velocidade do rotor em operação de duas velocida-

des, MARQUES [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.15 Sistema de geração eólica com gerador de indução, MARQUES [25] . 403.16 Duas fotos de Rotores Bobinados de Gerador de Indução, CHAPMAN

[24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.17 Sistema de operação em velocidade variável com gerador de indução

em dupla alimentação, PETERSSON [26] . . . . . . . . . . . . . . . 423.18 Vista em corte de um Gerador de Indução de Rotor Bobinado, CHAP-

MAN [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.19 Rotor de polos não salientes, CHAPMAN [24] . . . . . . . . . . . . . 443.20 Rotor de polos salientes, CHAPMAN [24] . . . . . . . . . . . . . . . 453.21 Corte de uma máquina síncrona de rotor bobinado, CHAPMAN [24] 463.22 Sistema de um Gerador Síncrono de Ímã Permanente com conversor

PWM, MARQUES [27] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1 Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Copacabana,INMET [28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2 Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Marambaia,INMET [28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

xi

4.3 Foto de satélite da Estação Meteorológica de Marambaia, GOOGLE-MAPS [29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4 Gradiente de Velocidade dos Ventos sobre o Rio de Janeiro, dia 03/04,13:40, WINDFINDER [30] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Arraial doCabo, INMET [28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.6 Gradiente de Velocidade dos Ventos sobre a Região dos Lagos, dia03/04, 13:40, WINDFINDER [30] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.7 Velocidade Média dos Ventos Anual de Arraial do Cabo, WE-ATHERSPARK [31] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.8 Representação da carga elétrica ao longo do dia. . . . . . . . . . . . . 584.9 Gráfico Comparativo de Torque de Turbinas Savonius, DÍAZ [19] . . 604.10 Gráfico Comparativo de Cm x Ângulo das turbinas Savonius,

DÍAZ[19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.11 Gráfico Comparativo de Cp x TSR (λ) das turbinas Savonius, DÍAZ

[19] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.12 Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-300, HI-

VAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.13 Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-1500, HI-

VAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.14 Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-700, HI-

VAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.15 Gráfico de Velocidade do Vento por Hora do dia . . . . . . . . . . . 704.16 Gráfico de Geração de Energia do Sistema Eólico deste projeto . . . 704.17 Balanço de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.18 Resultado do Balanço de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.19 Balanço de Energia com Carga Total . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.20 Resultado do Balanço de Energia com Carga Total . . . . . . . . . . 73

A.1 Descrição Turbina DS-700 parte 1, HIVAWT [20] . . . . . . . . . . . 83A.2 Detalhes Instalação no Telhado parte 1, HIVAWT [20] . . . . . . . . 84A.3 Mastro , HIVAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85A.4 Detalhes do Mastro, HIVAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86A.5 DATA SHEET DS-700, HIVAWT [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

B.1 Gerador 800 W, R&XTECH [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88B.2 Parâmetros do Gerador 800 W, R&XTECH [32] . . . . . . . . . . . 88

C.1 Ponte Retificadora Trifásica, MAPARECIDA [33] . . . . . . . . . . . 89

xii

D.1 Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto perfil , FREE ENERGY[34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

D.2 Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto entrada CC , FREEENERGY [34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

D.3 Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto saída CA , FREE ENERGY[34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

xiii

Lista de Tabelas

2.1 Produção de cataventos nos EUA, AMARANTE [10] . . . . . . . . . 11

4.1 Quadro de Cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2 Consumo de energia ao longo do dia parte 1 . . . . . . . . . . . . . . 544.3 Consumo de energia ao longo do dia parte 2 . . . . . . . . . . . . . . 554.4 Consumo de energia ao longo do dia parte 3 . . . . . . . . . . . . . . 564.5 Consumo de energia ao longo do dia parte 4 . . . . . . . . . . . . . . 574.6 Consumo de energia ao longo do dia parte 5 . . . . . . . . . . . . . . 584.7 Área de captação por turbina do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . 634.8 Turbinas Darrieus-Savonius com capacidade de geração desejável dos

fabricantes HIVAWT[20], WINDWING, LECTSTYLE, NAIER, DE-LIGHT, TYPMAR, ENGELEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.9 Especificações do Gerador,R&XENERGY [32] . . . . . . . . . . . . . 694.10 Potência elétrica gerada pelo sistema eólico ao longo de um dia em

média . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714.11 Tabela de Custo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

xiv

Capítulo 1

Introdução

O Brasil tem hoje uma das maiores cargas tributárias do mundo em energiaelétrica, de acordo com um estudo divulgado pela Associação Brasileira de Distri-buidoras de Energia Elétrica (Abradee), estando em segundo lugar em um rankingde 28 países de acordo com a reportagem de Sabrina Craide [35] .

Segundo um ranking divulgado pela Federação das Indústrias do Rio de Janeiro(FIRJAN), que mede o custo da energia para a indústria, o Brasil ocupa a sextacolocação, sendo valor atual 46 % superior à média internacional [1].

Figura 1.1: Ranking de custo de energia para a indústria FIRJAN, [1]

Apesar do grande potencial energético brasileiro, e da constante expansão dadiversificada matriz energética do país, a energia produzida tem estado cada vezmais cara, vide que o Brasil ocupava a 11a posição no mesmo ranking em 2014[1, 36].

A principal fonte de energia elétrica do país vem da geração hidráulica, a despeitode ser uma fonte renovável e ter sua supremacia cada vez mais acentuada ao longo dosanos, ela fica refém das condições do regime de chuvas local. Entretanto, nos últimos

1

anos a falta de chuvas nos meses que deveriam ser mais chuvosos vem causandoaumentos constantes nas tarifas (Figura 1.2), apesar do alto índice pluviométrico noinício desse ano, expectativa é que 2018 feche com alta entre 9,4% , reajuste bemacima da inflação, de acordo com Lima da Folha de São Paulo [2], [3] [1].

Figura 1.2: Variação da conta de luz e da inflação, [2]

Também é relevante considerar que a expansão do modelo hidrelétrico brasileirose dá através de grandes centrais geradoras, a tomar como exemplo as usinas emconstrução mais recentes como Belo Monte, Jirau e Santo Antônio. Essas usinas alémde enfrentarem dezenas de ações na justiça, como aferiu o portal Hoje Em Dia [37]devido a dificuldades no campo ambiental, localizam-se na bacia amazônica, muitodistante dos principais centros consumidores, o que gera também grande custo deconstrução da longa malha de transmissão para esses centros urbanos, o que segueaumentando o custo geral da energia no país [38].

Frente a essa crise, a alternativa que vem crescendo exponencialmente no Brasilé a implantação da geração distribuída, como é mostrado no gráfico da Figura 1.4.Geração distribuída é uma expressão usada para a geração elétrica realizada próximaao consumidor, independente da concessionária de energia elétrica [4].

2

Figura 1.3: Matriz Elétrica Brasileira, dados de agosto de 2018, ABEEÓLICA [3]

Em 12 de abril de 2012, entrou em vigor a Resolução Normativa 482/2012 daANEEL, permitindo que qualquer consumidor brasileiro possa gerar sua própriaenergia elétrica a partir de fontes renováveis, e caso haja excedente na sua produção,que possa fornecê-lo a rede de distribuição de sua localidade [39].

A partir de julho de 2015, quinze estados através de adesão ao Convênio Con-faz, adotaram uma política de incentivo para o consumidor que optar por gerar suaprópria energia elétrica. O convênio autoriza a concessão da isenção do ICMS (Im-posto de Circulação de Mercadorias e Serviços). Buscando mais atratividade parao consumidor, alguns estados, também permitiram a isenção da cobrança de PIS eCOFINS ainda no mesmo ano de 2015 [40].

Essas medidas deixam claro que há também um grande interesse do setor naexpansão da Geração Distribuída (GD), isso se dá devido às inúmeras vantagensque a ela traz, como diminuição de perdas associadas à transmissão e distribuição,devido à maior proximidade da geração à carga; maior diversificação da matrizenergética limpa e renovável; minimização dos impactos e custos socioambientais;maior segurança contra as intempéries e problemas com transmissão e distribuiçãode energia; e atendimento mais rápido à demanda existente [38].

3

Figura 1.4: Conexões de Geração Distribuída ao longo dos anos, ASTRASOLAR[4]

Ao se falar em geração distribuída, hoje no Brasil, muito têm-se associado àfonte de energia solar fotovoltaica, é a fonte energética que mais se destaca nocenário atual. Isso se dá, por essa fonte ser abundante em todo território nacional,independente de localização privilegiada, além de necessitar de pouca manutenção[4].

Figura 1.5: Conexões de GD por fonte, ASTRASOLAR [4]

Analisando os dados do gráfico da Figura 1.5, vemos ainda a energia eólica sendosubutilizada no país como geração distribuída. Apesar de já ser a terceira fonte deenergia na matriz energética nacional é somente aplicada para geração de grandesblocos de energia. Sua aplicação para pequenas gerações, entretanto, é tambémpossível e precisa ser mais estudada.

4

1.1 Objetivo

Este trabalho tem como finalidade apresentar um projeto de microgeração dis-tribuída de fonte eólica para suprir de forma parcial e complementar a carga de umaresidência de classe média em Arraial do Cabo, no estado do Rio de Janeiro.

O projeto tem a intenção de apresentar que fatores técnicos devem ser conside-rados e quais locais são propícios ou não para a exploração da energia dos ventos naregião.

A dissertação visa detalhar os diferentes critérios para a escolha de turbinas eóli-cas voltadas para a microgeração elétrica e como deve ser feito para que seja possívelconectá-la à rede. De forma que o consumidor possa obter um retorno financeiro amédio prazo, visando se tornar cada vez mais independente das oscilações tarifáriase do custo da energia elétrica.

1.2 Motivação

O visível sucesso do uso das fontes renováveis no mundo, onde se destacam asolar, a biomassa e a eólica, inclusive com o uso da geração distribuída até nosetor residencial, além do crescente sucesso da energia solar fotovoltaica na matrizbrasileira, onde se percebe que o Brasil tem totais condições de também ampliar osusos dessas duas fontes para o setor residencial, principalmente em regiões litorâneas,motivou o desenvolvimento deste trabalho como estudo, experimento e investigaçãopara uma aplicação em uma habitação do tipo residencial.

1.3 Metodologia

Partiu-se de uma revisão teórica sobre energia dos ventos e sobre a evoluçãotécnonológica dos aproveitamentos eólicos e suas aplicações no Brasil e no mundo.Em sequida foram revisados os princípios de funcionamento, a classificação dos ae-rogeradores e os fundamentos teóricos para a realização de um projeto, além de umarevisão sobre os tipos de geradores elétricos utilizados para a conversão eletromecâ-nica de energia. Após, foi feito um estudo de avaliação da velocidade do vento dolocal escolhido para aplicação do projeto, realizado através da coleta de dados develocidade do vento fornecidos por uma estação meteorológica próxima ao local dainstalação.

Para dimensionar a turbina, estimou-se o consumo de energia das cargas queserão atendidas e realizou-se um levantamento de modelos de turbinas eólicas exis-tentes no mercado. Após o dimensionamento, foi feito o balanço de energia entre

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a geração e carga, para avaliação do saldo energético do sistema. Por último, seráapresentado o custo do projeto e o tempo de retorno desse investimento.

1.4 Relevância

O projeto através de uma revisão histórica, remonta toda a evolução da arte atéos dias de hoje, pretende trazer o leitor ao entendimento completo do tema até aconjectura atual.

Se espera que o desenvolvimento desse projeto possa estimular a utilização deaerogeradores como microgeração e minigeração de energia elétrica.

Busca enriquecer de conteúdo voltado para energias renováveis o Departamentode Engenharia Elétrica da UFRJ. E com isso da inspirar os acadêmicos a se apro-fundarem cada vez mais no assunto, partindo para projetos mais complexos a partirdesse trabalho.

É também a intenção que esse trabalho mostrar que é possível a fonte eólica serutilizada como alternativa de geração distribuída no estado do Rio de Janeiro.

1.5 Organização do Trabalho

No Capítulo 1 é feita uma abordagem geral do momento vivido durante a re-alização do projeto, é introduzido o porquê de se investir e tornar cada vez maisaplicável o uso de geração distribuída no atual contexto brasileiro. Tudo isso a fimde que possa ser ilustrado as suas vantagens e mostrar todos os fatores que serviramde motivação para o tema do trabalho.

No Capítulo 2, é descrito o que é a energia eólica e de onde tem origem, passandopor um rápido histórico de como se deu o início de sua aplicação em todo o mundoe no Brasil. Neste capítulo é possível observar, também, o crescimento do potencialeólico até os dias atuais e como ele está associado ao sistema elétrico brasileiro.Além disso, é feita uma descrição detalhada sobre a geografia do Brasil e como elaestá relacionada com a distribuição de seus ventos. Tudo isso a fim de que possa serilustrado as suas vantagens e mostrar todo o potencial eólico brasileiro e fluminense.

O Capítulo 3 analisa os tipos de turbinas eólicas mais comuns existentes, mencio-nando suas principais diferenças e tecnologias empregadas, dando ênfase às turbinaseólicas de eixo vertical. São explicitadas os fundamentos teóricos utilizados paraum projeto de aerogeradores, além dos tipos de geradores elétricos normalmenteutilizados para esse fim.

O Capítulo 4 dá início ao estudo do projeto da turbina, onde pode-se encontrar otipo de turbina escolhido para a aplicação neste trabalho, a escolha dos parâmetrosiniciais de projeto se baseando na carga a ser suprida, bem como a escolha de seus

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principais componentes. Por último é apresentado o balanço energético do projeto,o seu custo.

O Capítulo 5 é a conclusão, onde se faz um resumo de todos os desafios encon-trados e definições do projeto.

No Apêndice são paresentados mais dados técnicos dos equipamentos utilizadosno projeto

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Capítulo 2

Histórico e Potenciais Eólicos

2.1 O Vento

O vento é a própria atmosfera em movimento. Ocorre devido à ação contínuada energia radiante solar sobre a Terra, que aquece de forma desigual a superfícieterrestre, resultando na circulação contínua das camadas de ar da atmosfera [5].

Na região entre os trópicos, a incidência solar é quase perpendicular em toda área,quanto mais distante da linha imaginária do Equador, mais inclinada é a incidênciados raios solares na superfície do planeta, sendo a região mais fria a região dos polos.O sol aquece a Terra com mais intensidade entre os trópicos, fazendo as massas de arquente subirem na atmosfera, criando zonas de baixa pressão perto à superfície, comisso as massas de ar frio vindas dos polos preenchem essas zonas, esse deslocamentoconstante forma os ventos [5].

Figura 2.1: Circulação Atmosférica no Brasil, ATLAS EÓLICO RJ [5]

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Enquanto as latitudes principalmente somadas às estações do ano e o ciclo dia-noite são os mecanismos atuantes em escala global, os encontros montanhas-vale eterra-mar influenciam a formação dos ventos em escala local.

Outros fatores como ilustrado na Figura 2.2, afetam a qualidade do vento são ascondições de relevo e a rugosidade aerodinâmica do terreno. O vento é afetado deforma acentuada pela forma de relevo apresentada, sendo totalmente diferente emambientes de floresta, cidade, praia, pradaria e etc [5] [6].

Figura 2.2: Esquema de escalas climáticas de áreas urbanas, OKE [6]

A urbanização afeta diretamente o tempo e o clima de um local, a alteração dohomem no solo, vegetação, temperatura do ambiente e relevo influem diretamentena forma que os ventos se comportam, alterando a sua forma original [6].

Nota-se que o vento tende a ter grande aumento de velocidade conforme aumentaa alturan(Figura2.3), principalmente nas áreas urbanas onde quanto mais alto menossofre alteração devido ao relevo. Para o estudo voltado à exploração de energiaelétrica através da energia dos ventos, há grande dependência do perfil vertical develocidade do vento com a altura, rugosidade do terreno e a estabilidade térmicavertical da atmosfera [5] [6].

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Figura 2.3: Gráfico de Vento x Altura: efeito da rugosidade e estabilidade térmicavertical, ATLAS EÓLICO RJ [5]

2.2 A Energia Eólica

A energia eólica é a fonte de energia proveniente da força dos ventos. Energiaessa abundante, limpa e renovável. Hoje quando se fala em energia eólica, associa-sediretamente ao processo de aproveitamento eólico para geração de energia elétrica[41].

Esse processo se dá através da captação da energia cinética eólica, a qual mo-vimenta pás de hélices de turbinas, que com seus rotores ligados a um geradorconvertem a energia mecânica em elétrica [41].

Para tal é necessário que o sistema seja instalado em uma região com condi-ções climáticas favoráveis, com vento em abundância. Com isso percebe-se que ofuncionamento adequado de um sistema de geração de energia elétrica através dosventos envolve vários campos de conhecimento como, meteorologia, aerodinâmica,eletricidade, controle e mecânica [41].

2.3 Histórico da Energia Eólica

Não se sabe ao certo quando se originou o aproveitamento da energia dos ventospelo homem, mas sabe-se que há mais de um milênio no Oriente e na Grécia antigajá se usavam velas acopladas a embarcações [42].

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Também há registros de máquinas impulsionadas pela força aerodinâmica de ar-rasto para produzir trabalho, principalmente utilizadas na moenda de grãos e nobombeamento de água. Os registros mais antigos que se tem hoje são de alguns au-tores que alegam ter descoberto restos de um moinho no Egito de aproximadamente3000 anos. Entretanto as fontes mais confiáveis que se têm hoje reconhecem que osprimeiros moinhos de vento surgiram na Pérsia por volta de 200 a.C [10].

A partir da Idade Média a utilização de moinhos de vento se tornou cada vezmais comum em toda a Europa, propiciando bons avanços tecnológicos das máqui-nas nesse tempo. Acredita-se que essa tecnologia veio para a Europa através dasCruzadas por volta do século XI [42].

Os precursores da utilização em larga escala na Europa foram os holandeses, jáno século XIV, suas máquinas utilizadas principalmente para drenagem de áreasalagadas, já apresentavam grande evolução técnica e potência perante as demais.Até hoje a Holanda é famosa por seus belos moinhos de vento [42] [10].

Figura 2.4: Moinhos de Vento de Kinderdijk, Holanda, FAGANELLO [7]

Quando o Brasil foi descoberto, a utilização de moinhos já era bem disseminadapor toda Europa, inclusive a Península Ibérica, mas o uso da tecnologia no país sóse deu séculos mais tarde, graças ao boom de utilização de cataventos nos EstadosUnidos principalmente após a abolição da escravatura em 1863. A produção chegouao quantitativo de milhares por ano, se tornando acessível à população, o que ajudouinclusive a expansão colonizadora do Oeste dos EUA, segundo muitos historiadores[43].

Tabela 2.1: Produção de cataventos nos EUA, AMARANTE [10]

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A tecnologia dos cataventos norte-americana chegou então no Brasil na décadade 1880, se fazendo presentes quase uma dezena de fabricantes no país, porém o usoainda era rudimentar [10].

O primeiro moinho para geração de energia elétrica foi construído na Escócia,em 1887, por James Blyth, em Glasgow. O professor construiu uma torre de 10 mde altura, era de eixo vertical e possuía oito pás, sua geração carregava baterias quealimentavam a iluminação da sua casa.

No ano seguinte, 1888, em Cleveland, Ohio (EUA), Charles Brush terminou aconstrução de um gerador eólico de eixo horizontal, com a sua empresa de engenha-ria. Possuía 17 m de diâmetro, 144 lâminas e sustentado por uma torre de 18 m.Esse aerogerador tinha uma potência de 12 kW, e funcionava também carregandoum banco de baterias, alimentando a carga de seu laboratório, que consistia nailuminação do mesmo e de alguns motores [42].

Figura 2.5: Primeiros aerogeradores da história, XCEL ENERGY [8]

A produção em larga escala de moinhos de vento para geração elétrica só sedaria na década 1930, nos EUA milhares de aerogeradores foram produzidos entreas décadas de 30 e 60, tanto para o mercado interno quanto o mercado externo.Mas conforme as redes de distribuição de energia foram dominando também o meiorural, os aerogeradores sofreram uma queda gradual nas décadas de 50 e 60 [10].

A energia eólica voltou a receber a devida importância apenas em meados dadécada de 70, na Califórnia. Devido à crise do petróleo o governo dos Estados Unidosincentivou a indústria para desenvolvimento tecnológico no campo da exploraçãode energia renovável com participação intensa da NASA no processo. Houve umagrande diminuição das taxas estaduais e federais o que impulsionou a indústria

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de energia renovável àquela altura, desenvolveram-se novas tecnologias para usocomercial de grandes turbinas, que bateram diversos recordes de tamanho e potência[44].

Figura 2.6: Turbina Gedser - 200kW, WINPOWER [9]

O ambicioso programa dos EUA contou com uma participação imprescindívelda maior turbina existente até então, a turbina dinamarquesa Gedser de 200 kW. Apedido da NASA, a turbina que funcionou por 11 anos e que estava parada desde ofinal dos anos 60, foi reformulada, e foi parte crucial do início do estudo da otimizaçãoda geração eólica [45].

O programa dos EUA, a crise energética, e a pressão popular contra um programanuclear, também estimularam a Dinamarca a incentivar a indústria de energia reno-vável, sendo a Dinamarca uma das pioneiras da geração de energia eólica offshore nadécada de 80. Motivos parecidos também motivaram a Alemanha para o caminhoda energia dos ventos. Esses três países foram os pioneiros e continuam até hojecom forte representatividade na exploração de energia eólica mundial, sendo delesalgumas das principais empresas do mercado, como, GE, Siemens, Vestas, Enercon,entre outras [46].

2.4 Potencial Eólico no Mundo Atual

Historicamente, os precursores Estados Unidos, Alemanha, Holanda e Dinamarcase mantiveram por bastante tempo entre os maiores geradores de energia eólica,porém como mostra a Figura 2.7, no final dos anos 90, outros países se apresentaramcomo novas potências no setor eólico: foram Índia e Espanha, que se mantêm emdestaque até hoje.

A entrada da China na economia de mercado a partir da década de 1990 im-pulsionou fortemente a sua economia, e junto com ela a necessidade de expansão

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Figura 2.7: Evolução mundial da capacidade eólico-elétrica em GW até os anos 2000,AMARANTE [10]

da matriz energética. O desenvolvimento exagerado trouxe aos chineses algumasmazelas do progresso. As imensas cidades sofreram fortemente com o boom do cres-cimento econômico, o país foi aumentando exponencialmente sua geração de energia,devido a crescente demanda da produção industrial. Porém, com esse crescimentodesordenado veio o aumento da poluição, principalmente do ar. Com isso, o país en-tendeu que era necessário continuar produzindo e gerando energia, porém de formalimpa [47].

Em 2005 o Congresso chinês aprovou uma lei de incentivo a produção de ener-gia elétrica de fontes renováveis. Já em 2008 pelo menos 15 empresas chinesas jáproduziam turbinas eólicas, lançando de vez a China no mapa do setor. Hoje é amaior geradora de energia eólica do mundo. E continua crescendo em larga escala.[47] [11].

Os EUA ainda se mantêm em constante crescimento, ano após ano, mesmo sendoainda uma grande referência no setor eólico mundial, seguido por Alemanha e Índia.A Índia também obteve grandes incentivos governamentais que irão se extinguir em2019, enquanto isso sua matriz segue se expandindo [11].

A Alemanha teve um crescimento muito forte equiparável aos EUA no ano de2017. Os germânicos, seguindo os vizinhos dinamarqueses, investiram muito pesadona tecnologia offshore. Também, seguindo a tendência, o Reino Unido investiuintensamente em parques eólicos offshore, sendo hoje o maior país em capacidadeinstalada segundo o Global Wind Statistics 2017 [11], seguido de Alemanha, China,Dinamarca, Holanda e Bélgica.

A Europa teve em 2017 o melhor ano na história em aumento de capacidade,como mostram o gráfico de novas capacidades instaladas da Figura2.8. Nele é mos-

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Figura 2.8: Novas Instalações em 2017 / Maiores Geradores de Energia Eólica Dec17, GWEC [11]

Figura 2.9: Capacidade Eólica Instalada Offshore, GWEC [11]

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trada a grande representatividade da Espanha no setor, apesar de ter estagnado seucrescimento, além de grande aumento da capacidade instalada de França e Brasil,que superaram Canadá e Itália, sendo hoje o sétimo e oitavo maiores geradores deenergia eólica respectivamente [11].

2.5 Potencial Eólico Brasileiro

O Brasil atingiu em fevereiro de 2018 a marca de 13 GW de capacidade instaladade energia eólica. Em 2017 obteve um crescimento de 26,5%, que em potênciasignifica mais de 2 GW. Essa capacidade é gerada com 534 parques eólicos e maisde seis mil aerogeradores em operação, segundo a Associação Brasileira de EnergiaEólica [48].

A capacidade instalada hoje no país suporta o consumo médio ao equivalente a 24milhões de residências por mês. O Brasil já apresenta um potencial contratado e emconstrução que soma mais 4,8GW, divididos em 213 parques eólicos, com previsãode entrega até o ano de 2023. Já para o ano de 2018 a expectativa é de ultrapassaros 14 GW de capacidade instalada, maior que Itaipu, a maior hidrelétrica brasileira[48].

Figura 2.10: Panorama Eólico Brasileiro, ABEEÓLICA [12]

O regime de ventos no Brasil é controlado principalmente pelos aspectos dossistemas de alta pressão do Atlântico Sul e a faixa de baixa pressão da DepressãoEquatorial, como é ilustrado na Figura 2.1. A Depressão Equatorial coincide coma localização da Bacia Amazônica, zona de pequenos gradientes de pressão e ventos

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fracos. Entretanto, ao norte e ao sul da Depressão Equatorial, há duas zonas deventos constantes, de leste a nordeste ao norte, e de leste a sudeste ao sul [10].

Ao norte os ventos alísios atingem o litoral do nordeste brasileiro assim comoa Bacia Amazônica. No litoral do nordeste há o encontro com as brisas diurnas.Os efeitos são acentuados com essa combinação gerando ventos médios anuais entre5m/s e 7,5m/s ao norte do Cabo de São Roque (área mais oriental do Brasil), eentre 6m/s e 9m/s ao sul. Os alísios se tornam mais fortes à medida que se afastamda Depressão Equatorial, somado a menores índices de vegetação e umidade do soloao sul, que acentuam as brisas marinhas, justificam essa diferença entre ambos [10].

Figura 2.11: Potencial Eólico do Nordeste, AMARANTE [10]

As montanhas imediatamente a oeste da costa nordestina criam uma espécie deaceleração por obstáculo, acelerando os ventos ao sul, ao longo da costa baiana quevão aliviando conforme se aproximam da região sudeste. Nas elevações da ChapadaDiamantina no nordeste e Serra do Espinhaço no sudeste, também ocorrem áreasde grandes velocidades, devido a um efeito de compressão vertical quando os ventosultrapassam a barreira montanhosa próxima ao litoral. Essas características fazemdo nordeste a maior região do Brasil em potencial eólico, onde se concentra a maior

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quantidade de parques eólicos do país (412 parques), detendo mais de 80% de todacapacidade nacional [10] [12].

A região litorânea sudeste sofre os mesmos efeitos do litoral sul nordestino, queafeta todo litoral do Espírito Santo até a Região dos Lagos no Rio de Janeiro,onde apresentam ótimo potencial eólico. Após Arraial do Cabo o litoral fluminensedesvia-se a oeste onde os ventos se tornam muito mais fracos, devido a forte presençade morros e montanhas, enfraquecendo os ventos ao sul dali [10].

Figura 2.12: Potencial Eólico do Sudeste, AMARANTE [10]

Na Região Norte, os alísios seguem o mesmo efeito do norte nordestino apenas naárea litorânea próxima a foz do rio Amazonas. Entretanto, tem o efeito bem reduzidodevido ao atrito de superfície com as densas florestas e a aproximação das zonas debaixa pressão. Apesar disso, há uma faixa entre 1000m e 2000m acima da superfícieque atingem as áreas mais elevadas da região norte, com ventos médios anuais de8m/s a 10m/s. Podemos perceber sua atuação na região da Serra Pacaraima, emRoraima [10].

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Figura 2.13: Potencial Eólico do Norte, AMARANTE [10]

A região do Planalto Central, localizada ao sul da Bacia Amazônica apresentauma grande área de poucos ventos que afeta toda a região centro-oeste. Apenas áreasmais elevadas próximas à fronteira com o Paraguai, devido ao efeito de compressãovertical apresentam médias próximas de 7m/s [10].

Figura 2.14: Potencial Eólico do Centro-Oeste, AMARANTE [10]

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Na Região Sul, o escoamento atmosférico é controlado pela Depressão do Nor-deste da Argentina, área de baixa pressão a leste dos Andes, e pelo AnticicloneSubtropical Atlântico. O gradiente entre eles induz altas velocidades médias anu-ais, tanto nas áreas de maiores elevações montanhosas, atingindo 8m/s, quanto nosplanaltos de baixa rugosidade, os pampas [10].

Figura 2.15: Potencial Eólico do Sul, AMARANTE [10]

A região sul é a segunda maior geradora de energia elétrica eólica do país, pos-suindo 95 parques eólicos, e mais de 2 GW de potência instalada, atrás apenas donordeste, atualmente maior gerador isolado. Essa análise nos permite ver que háainda muito que ser explorado no setor eólico brasileiro. O sudeste, principalmente,e o norte de Roraima têm grande potencial a ser explorado [12].

Figura 2.16: Parques Instalados Por Estado, ABEEÓLICA [3]

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2.6 Potencial Eólico no estado do Rio de Janeiro

Como mostra a Figura 2.17, o regime de ventos do estado do Rio de Janeiro, épredominantemente influenciado pela zona de alta pressão chamada de AnticicloneSubtropical do Atlântico Sul. Essa influência ocasiona ventos de quadrante leste enordeste de forma constante [5].

Figura 2.17: Mecanismos dominantes no regime de ventos fluminense, AMARANTE[5]

No estado é frequente incursões de massas polares e frentes frias, que evidenciamuma marcante sazonalidade, onde há ocorrência de ventos mais intensos nos mesesde primavera. Outros mecanismos que se fazem presentes na região são as brisasmarinhas, terrestres e lacustres, brisas montanha-vale e jatos noturnos, além dacomplexa interação do deslocamento atmosférico com as formações montanhosasfluminenses [5].

Como citado na Seção 2.1, a influência da mesoescala ao longo do litoral daRegião dos Lagos e do litoral norte fluminense somado à ação das brisas marinhase terrestres, cria um ciclo bem característico diário. Ao nascer do sol a velocidadeatinge o seu mínimo, ao longo do dia, o aquecimento intenso do continente influenciaa brisa marinha que se acentua até atingir seu pico ao por do sol. Esse processoinduz bons ventos ao longo de todo o ano [5].

Como o presente projeto é voltado para mini geração em áreas urbanas, serãoapresentados somente dados onshore.

O Litoral Norte Fluminense apresenta condições muito boas para a geração deenergia eólica, por isto foi o local escolhido para o primeiro e até então único parque

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eólico do Estado do Rio de Janeiro, o Parque Eólico de Gargaú, em São Franciscodo Itabapoana. Foi construído pela empresa Omega Energia, utilizando como for-necedor a dinamarquesa Vestas, sendo 28 MW de capacidade, tendo como início daoperação outubro de 2010 [13].

Figura 2.18: Potencial Eólico do Litoral Norte Fluminense, AMARANTE [5]

É uma região de extensa planície costeira, baixa densidade demográfica e baixaurbanização, propiciando uma baixa rugosidade, resultando em uma média anualem torno de 6,5 m/s nas melhores áreas [5].

A Região dos Lagos possui uma das melhores velocidades médias anuais do país,próximas a 7 m/s nas melhores áreas. A região é famosa por ter cidades onde osfluminenses possuem ou alugam casas de veraneio. Entretanto essas cidades nasúltimas décadas cresceram muito, já possuindo uma vida própria, população localbem estabelecida independente das altas temporadas e feriados. Por isso, é umaregião muito propícia para o projeto em estudo [5].

A Região Serrana do Rio de Janeiro apresenta algumas áreas para geração depequeno e médio porte, principalmente nas maiores elevações. Essas pequenas áreasde grande elevação apresentam velocidades médias de 7,5 m/s e até mais elevadas,porém seriam áreas de difícil acesso e montagem, por possuir relevo muito aciden-tado, dificultando acesso para transporte, montagem e ligação ao sistema elétrico esubestações [5].

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Figura 2.19: Potencial Eólico do Litoral Região dos Lagos, AMARANTE [5]

Apesar de não ser dado como enfoque no Altas Eólico do Rio de Janeiro [5], olitoral da cidade do Rio de Janeiro devido às brisas marítimas e terrestres, podemser uma área interessante para aplicação do projeto de microgeração. Necessitandode maiores estudos na área.

Figura 2.20: Potencial Eólico do Litoral Região Metropolitana, AMARANTE [5]

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Capítulo 3

Turbinas Eólicas

3.1 Turbinas de Eixo Horizontal

Os rotores de eixo horizontal são os mais utilizados desde sempre. Apesar deter sido o segundo modelo a ser inventado como dito na seção 2.3, foi o que mais sedesenvolveu ao longo do tempo, sendo o mais utilizado hoje.

São movidos por forças aerodinâmicas de sustentação (lift) e de arrasto (drag).As hélices ao obstruírem o deslocamento do vento sofrem a ação de forças queatuam perpendicularmente ao escoamento (drag) e forças que atuam na direção doescoamento (lift). Os motores que giram sob efeito de forças de sustentação, gerammais potência do que os de arrasto para a mesma velocidade de vento [13].

Os rotores de eixo horizontal necessitam estar em posição perpendicular ao vento,necessitando de um estudo mais detalhado antes de sua instalação, para um melhorrendimento [13].

As turbinas mais utilizadas são compostas por 3 hélices e em alguns casos emque a velocidade média é muito alta, há a possibilidade da utilização de uma ouduas pás, sendo mais comum o uso de duas, para haver uma menor geração de ruído[13].

3.2 Turbinas de Eixo Vertical (TEEV)

O rotor de eixo vertical foi o primeiro tipo de rotor inventado, como já ditona seção 2.3 e mostrado na Figura 2.5, mas com o passar do tempo foi preteridopela turbina de eixo horizontal. Apesar disso foi escolhido como tema principal dotrabalho, e apresenta algumas vantagens.

A TEEV não necessita de ajuste para a direção do vento, não havendo a neces-sidade de acompanhamento minucioso para variações direcionais do vento, além deapresentar melhor comportamento sob turbulências, o que reduz muito a complexi-

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Figura 3.1: Parque eólico de São Francisco de Itabapoana, CGE Gargaú, OMEGA[13]

dade do projeto [49].Para projetos em áreas urbanas possui características interessantes. É muito

mais silenciosa que as turbinas de eixo horizontal, o sistema de geração fica maisperto do solo, o que facilita a instalação e manutenção e possui torres mais baixas,ocupando no geral uma área menor que os rotores de eixo horizontal [15].

Como o projeto visa a área urbanizada, uma das possibilidades em estudo é ainstalação em telhados de casas, locais em que o vento sofre mais alteração. Nestesaerogeradores, as correntes de ar batem lateralmente nas lâminas, garantindo umavelocidade de arranque mais baixa, vantajoso em condições de pouco vento, o que émuito interessante para o projeto [15].

O fato de possuir torres de sustentação menores, faz com que essas turbinastenham menor desempenho, não aproveitando maiores velocidades de vento, e porconta das maiores turbulências devido à altura, acaba sofrendo mais desgaste, pora sofrer maior carga aerodinâmica cíclica, reduzindo assim sua vida útil [15].

3.2.1 Turbina Darrieus

Darrieus (Eggbeatter)

A turbina Darrieus, foi inventada pelo engenheiro aeronáutico Georges Darrieuse seus dois modelos foram patenteados no ano de 1931 nos EUA. Ambos são mo-vidos por força aerodinâmica de sustentação (lift), e possuem duas ou três lâminasconectadas ao rotor no eixo vertical [15].

O primeiro modelo é conhecido como eggbeater (“batedeira de ovos”, em inglês),ou modelo de lâminas curvas (Troposkein). Esse modelo possui hélices em formaaerodinâmica, inspirado em asas de avião. Essa forma curvada tem como objetivodiminuir o estresse por torção no eixo do rotor [18].

Foi explorado na Califórnia no passado, porém atualmente é pouco utilizado. Um

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dos motivos para tal é que esses rotores não dão partida sozinhos, devido às lâminaspossuírem um alto ângulo de ataque, consequentemente um baixo coeficiente develocidade periférica (λ), sendo assim, a força lift do vento nas pás da turbina setorna pequena, insuficiente para tirar as hélices da inércia [50].

Figura 3.2: Turbina Darrieus de Lâmina Curva, BRAGA [14]

Por não possuir partida própria, é necessário o uso de um motor de partida,o que acaba por encarecer o projeto do aerogerador Darrieus convencional. Aindaassim, é uma das turbinas que apresenta maior rendimento, segundo MERTENS[50] a turbina Darrieus apresenta um rendimento de 40% aproximadamente.

Darrieus H

Outra turbina desenvolvida por Darrieus é comumente chamada de Darrieus H,utiliza pás retas paralelas ao eixo do rotor, fazendo a turbina lembrar a letra “H”.Esse modelo é bastante utilizado, principalmente para mini e microgeração, tantoem postes como em telhados de casas e prédios [51].

Essa turbina apresenta uma maior área de escoamento em comparação com aEggbeater, como consequência apresenta maior rendimento energético, chegando a50%, segundo BRULLE [52]. O fato de se ter popularizado no mercado, geroumais investimento e pesquisa ao redor desse modelo, gerando pequenas variações demontagem, como por exemplo, ter passo fixo ou passo variável [18].

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Pesquisas mostram que aerogerador de passo fixo faz com que haja um torquede partida inadequado. Já o de passo variável, ajuda as pás a terem mais força dearrasto, podendo até superar o torque inicial tirando as hélices de repouso. Entre-tanto, isso depende de um mecanismo de controle mais sofisticado, o que encarece oprojeto, porém as de passo variável levam uma vantagem de 30% sobre as de passofixo [18] [53].

Pesquisadores da Universidade de Wollongong inventaram um dispositivo que fazcom que o passo das pás, o movimento e posicionamento de cada pá altera o passo daoutra. Assim gera um aumento significativo do coeficiente de velocidade periférica(λ), permitindo que a turbina dê partida. Porém, apesar disso os testes para essaturbina experimental apresentaram um rendimento modesto de apenas 25% parauma velocidade média 9m/s, apesar de ter pontos acima dessa curva, beirando os38%, não garantiu esse rendimento. O que deixa lastro a ser melhorado [54].

Figura 3.3: Turbina Darrieus H, CARMO [15]

Devido a essas pequenas diferenças, esse modelo é conhecido por diversos nomes,todos basicamente se tratando do mesmo modelo, é chamado de Giromil, SB-VAWT(TEEV de lâmina reta, em inglês), Rotor-H, Cycloturbine, entre outros [18] [51].

Uma desvantagem da Darrieus H é a própria estrutura de seu rotor, que provocamaior esforço estrutural, diminuindo sua vida útil. Visando superar esse problemaestrutural, alguns pesquisadores desenvolveram a Darrieus de pás retorcidas, tam-bém chamado de rotor Helicoidal, Darrieus Helicoidal e Gorlov [51].

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Darrieus Helicoidal / Gorlov

O rotor Darrieus H foi inicialmente modificado para uma forma helicoidal peloprofessor A. M. Gorlov em 1995, com o propósito de ser uma turbina aquática, masde acordo com a sua patente, já era previsto o uso para energia eólica [55].

A turbina helicoidal alivia o estresse na estrutura do rotor, distribuindo sempreuma lâmina por todo o perímetro da circunferência do rotor. Essa geometria garanteque sempre haja uma seção da pá para qualquer ângulo de ataque, suavizando asoscilações do vento. A consequência disso é a diminuição das vibrações que diminuio estresse na estrutura além da diminuição de ruído, diminuindo a fadiga no rotor,e aumentando sua vida útil [55] [56].

O aerogerador de Gorlov tem uma geração relativamente estável, produzindo umtorque estável, sem flutuações, gerando maior potência de saída. O gráfico da Figura3.4, mostra um experimento com turbinas similares, apenas de arquiteturas diferen-tes, lâminas curvas, retas e helicoidais. A turbina Darrieus de curva Troposkein,foi a que mais apresentou flutuação na variação de coeficiente de potência, 0.3 Cp.A Darrieus H não ficou muito longe, apresentando um ∆Cp de 0.2, sendo a Gorlovmuito reduzida, apenas 0.03 Cp [16].

Figura 3.4: Variação do coeficiente de potência entre 3 modelos de TEEV, SCHEU-RICH [16]

Segundo experimentos de BATTISTI [56], a turbina Gorlov apresenta rendi-mento igual e em algumas situações até superior a Darrieus H, apresentando por

28

exemplo um coeficiente de velocidade periférica mais abrangente que os outros mode-los. Entretanto, para λ pequenos apresenta menor eficiência, tendo uma velocidadede vento para partida de aproximadamente 5 m/s.

Figura 3.5: Turbina Darrieus Helicoidal (VENCO-Twister-1000-T), VENCO [17]

3.2.2 Savonius

A turbina Savonius, invenção do finlandês Sigurd J. Savonius em 1929, é umaturbina formada basicamente por duas ou mais conchas fixadas no eixo vertical emsentidos opostos, que através da força de arrasto do vento são empurradas a girar[18].

Esse modelo de turbina é de fabricação relativamente simples, sendo mais econô-mico que os demais. Os esforços estruturais realizados no eixo do rotor também sãomenos intensos que as Darrieus. Diferente das Darrieus, as Savonius possuem um λ

elevado, começando a girar a uma velocidade mais baixa, sem precisar de motor departida. Entretanto o rendimento apresentado por ela é o menor de todos os demaismodelos de TEEV, em média 15%. Por isso se torna pouco atrativa para a geraçãode energia [15].

Ao longo dos anos, muito por conta da simplicidade de produção, houve estudosem busca de melhorar o rendimento deste rotor. Entre os mais conhecidos são quatromodelos, Savonius com 3 pás (3 Blades Rotor), Savonius de pé helicoidal (HelicalRotor), Savonius de 2 estágios (Double-step Rotor), e Savonius T modificada (T.Modified Rotor) [19].

Em testes entre esses cinco modelos realizados por Díaz, Pajaro e Salas [19]

29

Figura 3.6: Modelo original da turbina Savonius, ISLAM [18]

Figura 3.7: Diversos modelos de turbina Savonius, DÍAZ [19]

da Universidade Autônoma do Caribe da Colômbia, o modelo que apresentou maiorcoeficiente de potência (Cp) e maior coeficiente de torque (Cm) foi o modelo SavoniusHelicoidal, chegando a um Cp=0,18 e Cm=0,35. Apesar desses números, os testesfeitos por Savonius entre outros pesquisadores, após investigarem 30 modelos do S-rotor, indicaram um rendimento máximo de 31% em testes em túnel de vento, e até37% ao ar livre. Ainda outros testes feitos por GUPTA, DEP, MISRA [57], indicaramresultados mais positivos ainda para o modelo Helicoidal, apesentou Cp = 0, 462 eCm = 0, 282 [19] [21].

30

Outro modelo bastante usado que não participou do teste foi o modelo Savoniusde conchas retorcidas.

O aerogerador Savonius é comumente usado em aplicações de baixa potência,como medidores, mas há estudos e até algumas aplicações desse modelo para atuaçãojunto com a turbina Darrieus, devido a sua boa capacidade de partida [53].

Figura 3.8: Turbina Savonius de Conchas Retorcidas, CARMO [15]

3.2.3 Darrieus-Savonius

A combinação das turbinas Darrieus e Savonius retornam uma performance su-perior ao uso das duas turbinas separadamente. A Savonius atua a partir de baixasvelocidades, através de seu grande aproveitamento de força de arrasto, gera umgrande torque fazendo o rotor girar, o que soluciona uma das deficiências da Darri-eus, a partida. Já a Darrieus tem uma rotação superior, e um grande coeficiente depotência [21].

Os modelos mesclam diferentes tipos de rotor Savonius com os Darrieus, e tam-bém podem ser inseridos tanto no interior do rotor eggbeatter quanto acima ouabaixo dele, no mesmo eixo.

De acordo com as características dadas pela empresa HIVAWT [20], os cálculosindicam que o aerogerador da Figura 3.9A, apresenta um CP'0,5. Já os testes daturbina da Figura 3.9B feitos por GUPTA, BISWAS, SHARMA [21], indicaram umCP= 0,53, sendo o melhor desempenho pesquisado nesse trabalho.

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Figura 3.9: A) DS Turbine, com Savonius de duas seções [20]; B) DS Turbine, comSavonius de 3 pás [21]

3.3 Densidade do Ar

Para o cálculo de potência do vento, é utilizado o valor de densidade do ar (ρ),o Atlas Eólico do RJ [5] fornece dados para todo o estado.

Figura 3.10: Densidade do Ar Média Anual, AMARANTE [5]

A densidade mais relevante para o estudo transita entre as regiões de ρ = 1, 186

kg/m3 e ρ = 1, 188 kg/m3.

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3.4 Potencial do Vento

A energia eólica em si é nada mais que a energia cinética da massa de ar quepassa através da área de varredura de um aerogerador. Essa energia é dada pelaconhecida fórmula:

E =1

2mv2 (3.1)

Já a potência do vento é dada pela derivada da energia dessa massa de ar em relaçãoao tempo:

P =dE

dt=

1

2mv2 (3.2)

Sendo m o fluxo da massa de ar em kg/s, a potência do vento é dada por:

Pvento =1

2ρAv3 (3.3)

Percebe-se que a potência eólica está diretamente ligada à densidade e área daspás, além de ligada diretamente ao cubo da velocidade do vento. Sendo assim,quanto maior a área varrida pelas turbinas e quanto mais o vento soprar, maior seráa potência aproveitada pelos aerogeradores.

3.5 Potencial Aproveitável

O físico alemão Albert Betz no ano de 1919, publicou um artigo, demonstrandoatravés da teoria de conservação de energia, a máxima potência que pode ser apro-veitada da energia dos ventos. De acordo com seus cálculos nenhum aerogeradorpode ter aproveitamento maior que 16

27, ou 59,3% [58].

A prática é muito difícil se chegar perto desse valor, a maioria das turbinas emuso chegam no máximo a 45%.

Sendo assim a potência extraída pela turbina é igual a potência do vento vezesa eficiência da turbina:

Pmec =1

2ρAv3CP (3.4)

Para calcular a potência elétrica resultante, ainda deve-se considerar o rendi-mento do gerador elétrico da turbina (ηg) e do conversor eletrônico de potência (ηc),caso haja:

Pe =1

2ρAv3CPηgηc (3.5)

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Figura 3.11: Coeficiente de Potência X Coeficiente de Velocidade Específica dasdiferentes turbinas, RESEARCHGATE [22]

3.6 Coeficiente de Velocidade Específica

O coeficiente de velocidade específica ou periférica como também é chamado,é também conhecido pela sigla em inglês TSR ( Tip Speed Ratio) e também pelosímbolo λ. Ele é a razão entre a velocidade da ponta da pá e a velocidade do vento:

λ =vuv

(3.6)

Sendo a velocidade da pá, o produto entre a velocidade angular da lâmina e o raioda mesma:

vu = ωR (3.7)

O coeficiente de potência CP das turbinas eólicas, variam de acordo com o TSR,como é ilustrado no gráfico da Figura 3.11. Dessa forma, é possível otimizar ofuncionamento do aerogerador, ajustando a velocidade de rotação do rotor, de acordocom a velocidade de vento incidente no local. Obtendo-se um λotimo, atinge-se oCPmax .

3.7 Solidez

Outro parâmetro que está ligado ao coeficiente de velocidade específica é a solidezdas turbinas. A solidez conhecida pela letra Ω, possui relação inversa com λ e diretacom o torque. Quanto maior a solidez de uma turbina, maior será seu torque emenor seu TSR. Sua fórmula se dá por:

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Ω =SN

A(3.8)

Onde S é a área de cada pá, N o número de pás e A a área total varrida pelaturbina. As turbinas com muita solidez, geralmente são usadas para atividadesque necessitem de maior torque, como bombeamento de água e moagem. Já asturbinas para geração de energia elétrica geralmente necessitam de pouca solidez emais rotações [53].

3.8 Curva de Potência

Em um aerogerador, a curva de potência representa o quanto é gerado de po-tência por velocidade do vento. O gráfico de curva de potência também mostra avelocidade na qual a turbina começa a girar e gerar energia (cut-in speed), a ve-locidade nominal que o aerogerador foi projetado para gerar energia, onde a curvase mantém constante, a velocidade de corte, onde o gerador é retirado de operaçãopara que não seja danificado pela alta velocidade dos ventos (cut-out speed) [49].

Figura 3.12: Curva de Potência de um Aerogerador, SILVA e ABREU-HARBICH[23]

3.9 Tipos de Geradores Elétricos

Nesta seção serão apresentados os principais tipos de geradores elétricos normal-mente utilizados em turbinas eólicas conectadas à rede elétrica.

A função do gerador é fornecer um meio de conversão de energia entre o torquemecânico no rotor da turbina eólica, e uma carga elétrica.

A conexão entra o gerador e a turbina pode ser feita por conexão direta ou coma utilização de um multiplicador de velocidades. O sistema de multiplicação develocidade permite a sincronia entre as velocidades do rotor da turbina e gerador.

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Essa sincronia otimiza as características do gerador, entretanto, o sistema demultiplicação, sendo um componente mecânico está sujeito ao desgaste e é mais umcomponente que afeta o rendimento do aerogerador. Além disso segundo HANSEN[59], em alguns casos sua utilização tem sido relativamente pouco confiável.

Com o constante avanço no desenvolvimento de semicondutores de alta potênciapara conversores de frequência, aumentou o interesse para o acoplamento direto entreturbinas de velocidade variável e geradores. Os conversores elétricos podem funcio-nar como um sistema de multiplicação de velocidades elétrico, com um desempenhomelhor [59].

3.9.1 Gerador de Indução

Uma máquina de indução é assim chamada porque apesar de possuir um estatortípico de dois polos, a tensão em seu rotor é a responsável por produzir a correnteeconsequentemente o campo magnético do próprio rotor. A tensão é induzida emseus enrolamentos, ao invés de fornecida por uma conexão física de fios [24].

O estator dessa máquina é o mesmo de uma máquina síncrona típica, de doispolos. Ele tem como funções fornecer a magnetização e carregar a corrente dearmadura, enquanto o rotor carrega apenas a corrente de armadura.

Quando excitado, o movimento do rotor em relação ao campo magnético doestator cria uma tensão induzida nas barras do rotor. A tensão induzida resultanum fluxo de corrente que por sua vez produz um campo magnético [24][59].

A tensão induzida gerada é igual a:

eind = (v ×B).l (3.9)

Onde v é a velocidade da barra do rotor em relação ao campo magnético.Porém, há um limite finito para a velocidade do rotor. A frequência da rotação do

rotor nunca atinge a frequência do campo do estator, se o rotor estivesse girando navelocidade síncrona, as barras do rotor estariam estacionárias em relação ao campo,sendo a velocidade v = 0, não produzindo corrente nem campo magnético no rotor.

A velocidade síncrona é igual a:

nsinc =120.festatorNpolos

(3.10)

A diferença entre as velocidades de rotação é o conceito chamado de velocidadede escorregamento do rotor (s).

nesc = nsinc − nrot (3.11)

O escorregamento é dado pela velocidade relativa à velocidade síncrona:

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s =nsinc − nrot

nsinc

(×100%) =nesc

nsinc

(×100%) (3.12)

Sendo assim, a velocidade de rotação do rotor é expressa por:

nrot = (1− s)nsinc (3.13)

Enquanto a frequência elétrica é dada por:

frot = sfest (3.14)

O gerador de indução apresenta grande simplicidade de utilização, não necessitade circuito de campo separado e nem de ser acionado constantemente com veloci-dade fixa, bastando, para funcionar, que a velocidade da máquina esteja superiora velocidade síncrona do sistema de potência que esteja conectado, para funcionarcomo gerador [24].

Outra vantagem que o faz ser um dos geradores preferidos para a utilização emaerogeradores é a não necessidade de utilização de um controle sofisticado. En-tretanto, esse tipo de máquina apresenta algumas limitações para o seu uso comogerador [24].

Para o funcionamento do gerador, é necessário que haja magnetismo residual norotor para que haja tensão. Caso não tenha, a máquina deverá ser magnetizada,sendo utilizada como motor, momentaneamente [24][59].

Não ter um circuito de campo separado, faz com que a máquina não possacontrolar sua tensão de saída com a variação da corrente de campo e, além disso,faz com que consuma potência reativa, por isso é necessário que haja uma fonteexterna de potência reativa conectada permanentemente à máquina para que elamantenha o campo magnético em seu estator e controle sua tensão terminal, alémde apresentar um baixo fator de potência. A utilização de um banco de capacitoresse faz necessário para resolver essas limitações [59] [24].

Provavelmente, o problema mais sério com o gerador de indução, seja a grandevariação de sua tensão com as mudanças de carga, principalmente as reativas. Oescorregamento varia, aumentando conforme a carga aumenta. A potência reativa ésuprida apenas pelo banco de capacitores que é fixo, então uma alteração na cargareativa, especialmente indutiva, provoca uma mudança brusca na tensão, levandorapidamente a um colapso [59] [24].

Operando dessa forma, o gerador de indução é praticamente incontrolável, sendoque qualquer variação passa para rede, o que dificulta a aceitação pela parte dasdistribuidores de energia.

Mesmo com algumas limitações ainda é muito utilizado para sistemas eólicos

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de pequeno porte, principalmente pela simplicidade, construção robusta, pequenotamanho por quilowatt de saída, além de fácil manutenção, que consiste em apenasem lubrificação [59] [24].

Alguns fabricantes investiram em formas de controlar o gerador de induçãousando da eletrônica de potência, um enrolamento isolado no rotor. Dessa forma apotência do rotor pode ser controlada pelo conversor.Uma alternativa seria instalarum conversor de potência em série no circuito de armadura, dessa forma, obteria-setotal controle sobre a performance do gerador de indução, segundo HANSEN [59].

Ainda segundo HANSEN [59], esse tipo de gerador apresenta uma eficiênciaentre 75% e 78% para velocidades acima de 2500 rpm, abaixo dessa velocidade suaeficiência desce a níveis muito abaixo do aceitável para a operação.

Há dois diferentes tipos de máquinas de indução que podem ser utilizados. Umé o rotor gaiola de esquilo e o outro rotor bobinado.

Gerador de Indução com Rotor Gaiola de Esquilo

O rotor tipo gaiola de esquilo (GIGE), segundo CHAPMAN [24], consiste emuma série de barras condutoras que estão encaixadas dentro de ranhuras na superfíciedo rotor e postas em curto-circuito em ambas as extremidades.

Figura 3.13: Diagramas em corte de máquinas de indução com rotor gaiola de esquilode pequeno e grande porte, CHAPMAN [24]

Ele é operado principalmente de três formas diferentes:

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• Operação Direta em Velocidade FixaSegundo MARQUES [25] e PETERSSON [26] a utilização do GIGE conectado

direto à rede é um conceito bastante comum utilizado pioneiramente na Dinamarcadesde os anos 1980. É um modelo com baixo custo e robustez.

Nesse conceito, o rotor da turbina gira a uma velocidade fixa, a mesma do rotor dogerador em operação, independente da velocidade do vento. O gerador utilizado deveser escolhido baseado na velocidade média esperada do vento no local. Nesse casoé normalmente usado controle de passo e stall nas turbinas para que a velocidadeótima de rendimento do gerador seja alcançada e depois mantida [60].

Entretanto mesmo com a velocidade fixa, a inconstância dos ventos promove va-riações na turbina ainda assim. Como as máquinas de indução possuem uma relaçãode torque por velocidade com inclinação bastante abrupta, o torque e consequen-temente a potência variam consideravelmente mesmo com pequenas mudanças develocidade no rotor [60].• Operação em Duas Velocidades

Operação Com Dois Geradores

É um conceito também dinamarquês, considerado uma evolução ao modelo develocidade fixa, onde são usados dois geradores conectados à turbina eólica. Eutilizado para uma faixa de potência de 30kW a 450kW[25] [26].

Nesse sistema, a máquina 1 inicia a operação consumindo energia da rede elétrica,operando como motor, até que a velocidade do vento aumente fazendo o rotor daturbina eólica ultrapassar a velocidade síncrona, fazendo a máquina 1 trabalhar nomodo gerador iniciando o fornecimento de energia elétrica para a rede [25].

Quando o vento aumenta ao ponto de a velocidade da máquina 1 ultrapassar asua potência máxima, esse gerador é desligado, e nesse instante a energia do ventoé completamente convertida em energia cinética sendo armazenada na inércia dorotor. Caso o vento aumente a ponto de o rotor alcançar a velocidade síncronada máquina 2 (de maior velocidade nominal), esse será conectado a rede elétrica,fazendo o aerogerador voltar a fornecer energia à rede [25].

A transição de velocidades entre os geradores não é instantânea, há um intervalode velocidades em que o aerogerador não produz energia elétrica, como ilustradono gráfico da Figura 3.14. Outra desvantagem é a elevada carga nos componentesmecânicos durante a troca de geradores. Operação com Troca de Polos

Esse tipo de operação é utilizada para turbinas na faixa de 2 MW. A sua formade operação é parecida com a de dois geradores, porém ao invés de utilizar duas má-quinas de indução, trocam-se os polos do gerador de indução, tendo assim a mesma

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Figura 3.14: Gráfico Torque × Velocidade do rotor em operação de duas velocidades,MARQUES [25]

desvantagem no que se refere ao desgaste das engrenagens na troca de polos, alémda energia capturada pela turbina no modelo de duas velocidades ser geralmentemenor que no modelo de velocidade variável, segundo MARQUES [25].

Figura 3.15: Sistema de geração eólica com gerador de indução, MARQUES [25]

A Figura 3.15 mostra um sistema de geração eólica com rotor de gaiola de esquilo,operando com um multiplicador de velocidades, onde há a presença de um banco decapacitores projetado para corrigir o fator de potência em toda a faixa de operação,

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através da média da potência reativa medida em um período de tempo.Há a utilização de um sistema de supervisão, utilizado para proteger o aeroge-

rador, por falta na rede elétrica, ou proteger contra uma velocidade excessiva dosventos que possa danificar a turbina eólica.

Gerador de Indução com Rotor Bobinado

O rotor bobinado, possui um conjunto completo de enrolamentos trifásicos si-milares aos enrolamentos do estator, tendo as suas três fases geralmente ligadas emY e suas três terminações conectadas aos anéis deslizantes no eixo do rotor. Esco-

Figura 3.16: Duas fotos de Rotores Bobinados de Gerador de Indução, CHAPMAN[24]

vas apoiam os anéis deslizantes curto-circuitando os enrolamentos do rotor. Essasescovas também permite que se acesse as correntes do rotor, podendo assim serexaminadas, e permite que o gerador seja utilizado de duas formas.• Velocidade Semi-VariávelDe acordo com a necessidade pode-se acrescentar ou remover resistências extras

no circuito do motor, podendo assim manipular as características de conjugadoversus velocidade do motor, permitindo a melhor operação do gerador para diferentesvelocidades [24] [26] [25].

As principais desvangens são o menor rendimento devido ao desperdício de ener-gia pelos resistores, além de continuar necessitando de um banco de capacitoresligados em paralelo.

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• Velocidade Variável com Dupla AlimentaçãoEsse modelo se tornou muito utilizado recentemente por permitir a operação

em velocidade variável, solucionando um dos principais problemas dos geradores deoperação em velocidade fixa ou de duas velocidades, onde há intervalos de velocidadeem que o aerogerador para de fornecer energia elétrica para a rede.

O gerador de indução com dupla alimentação (GIDA), recebe essa denominação,pois enquanto o estator é conectado diretamente à rede, o rotor é conectado à umconversor de potência, através de seu circuito rotórico. E segundo MARQUES [27]o gerador de indução utilizado para essa operação é o de rotor bobinado citado naSeção 3.9.1 [26] [25].

Figura 3.17: Sistema de operação em velocidade variável com gerador de induçãoem dupla alimentação, PETERSSON [26]

A função desse conversor é controlar apenas a potência de escorregamento dorotor, sendo assim é um conversor projetado geralmente para uma potência entre20%− 30% da nominal do gerador.

Como mostra a Figura 3.17, são utilizados dois conversores back-to-back, umconectado do lado da máquina de indução e o outro conectado do lado da rede, eentre eles um capacitor de acoplamento, afim de manter o ripple durante as variaçõesde tensão [26] [25].

Com o conversor instalado, é possível controlar o torque, a velocidade do geradore o fator de potência nos terminais do estator. Todo esse uso da eletrônica depotência na máquina de indução é com o intuito de manter a tensão constante nofornecimento à rede [26].

O conversor do lado do gerador tem como função controlar o torque e conse-quentemente a potência ativa, além de suprir parte da potência reativa, mantendoa magnetização do rotor, enquanto o do lado da rede controla o barramento CC e

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também o fator de potência entre a máquina e a rede [25] [27].Comparativamente, esse sistema apresenta alta eficiência , devido às perdas se-

rem bem reduzidas se comparados aos conversores instalados para lidar com a po-tência total do sistema. Também mostra ser um sistema robusto e estável, inde-pendente das variações externas. Consequentemente o custo do conversor para essesistema também será mais barato. Em contrapartida, é um sistema que necessitauma manutenção periódica, devido a utilização de escovas nos anéis do rotor [26][25] [27].

Segundo PETERSSON [26] esse modelo apresenta eficiência entre 90%− 95%.

Figura 3.18: Vista em corte de um Gerador de Indução de Rotor Bobinado, CHAP-MAN [24]

Porém, apesar das vantagens da utilização do GIRB descritas acima, o uso dorotor bobinado é inevitavelmente mais caro, exigem muito mais manutenção de-vido aos desgastes de seus anéis e escovas, sendo assim raramente são utilizados naindústria.[24]

3.9.2 Gerador Síncrono

O gerador síncrono é uma máquina elétrica utilizada amplamente para conver-são de energia mecânica em energia elétrica. Nesse gerador, o campo magnético éproduzido no rotor, enquanto o estator consiste em um núcleo ferromagnético o qualpossui três enrolamentos trifásicos, que através deles a carga externa será conectada[24] [27].

As máquinas síncronas são classificadas em duas categorias: Gerador Síncronode Rotor Bobinado e Gerador Síncrono de Imã Permanente, que serão detalhadosnas subseções mais a frente.

Em ambos, um campo magnético é gerado no rotor, que ao ser rotacionado poruma fonte motriz externa, é produzido um campo girante no interior da máquina,

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esse campo por sua vez irá induzir tensões nos enrolamentos do estator. [24] [59][27]

O rotor de um gerador síncrono é um grande ímã, onde seus polos podem serconstruídos de duas formas, salientes ou lisos [24].

• Rotores de polos lisosNesses rotores chamados de lisos, os polos ficam encaixados em ranhuras nive-

lados na superfície do rotor, dando uma aparência sólida e lisa ao rotor. Possuemcomo característica o número de polos reduzidos normalmente a dois ou quatro po-los, o que gera uma velocidade elevada, e um rotor de diâmetro mais delgado [24].

Figura 3.19: Rotor de polos não salientes, CHAPMAN [24]

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• Rotores de polos salientesO rotor de polos salientes apresenta protuberâncias no núcleo de ferro, onde na

verdade essas saliências são entreferros do núcleo ferromagnético do rotor. O rotor depolos salientes pode apresentar quatro ou mais polos o que gera uma baixa velocidadede rotação, característica essa que faz ser o rotor preferido para a aplicação emaerogeradores [24] [25].

Figura 3.20: Rotor de polos salientes, CHAPMAN [24]

Gerador Síncrono de Rotor Bobinado

Como o nome diz, nesse modelo, um circuito é bobinado em torno dos polos paragerar o fluxo magnético no rotor, e são dispostos de forma simétrica ao longo doperímetro do rotor.

Para que seja um eletroímã e gere campo magnético, é necessário que recebaexcitação de corrente contínua nas bobinas do rotor, segundo CHAPMAN [24], háduas formas de se fornecer a corrente CC aos seus enrolamentos:

• Uma fonte externa que forneça potência CC por meio de escovas conectadasem anéis deslizantes no eixo do rotor.

• Fonte montada diretamente no eixo do gerador síncrono.

Os anéis deslizantes são anéis metálicos, porém apesar de envolverem o eixodo rotor estão isolados dele. O enrolamento CC é conectado a esses anéis, cadaextremidade em um anel, por sua vez cada escova fixa é conectada a um dos anéistambém. As escovas são nada mais que blocos de grafite, material que tem boacondutividade elétrica e baixo atrito, visando fornecer a corrente porém com o menordesgaste possível aos anéis deslizantes [24] .

As escovas e os anéis são o calcanhar de Aquiles das máquinas síncronas, poisexigem manutenção frequente devido ao desgaste das escovas. A queda de tensão

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nas escovas, é causa de perda de potência nos geradores, porém ainda assim, é ométodo de melhor custo benefício para máquinas desse tipo [24].

Há ainda em sistemas mais modernos a alternativa, onde a excitação é fornecidaatravés de excitatrizes CA e retificadores, transformando CA em CC. É uma opçãomais cara e complexa, porém exige pouca manutenção [27] [61].

As vantagens desse modelo são que o enrolamento de campo permite o controledireto do torque eletromagnético, consequentemente o fator de potencia do gerador,além disso, segundo MARQUES [27] toda corrente do estator é utilizada para pro-dução de torque eletromagnético, fazendo com que a máquina tenha uma eficiênciaalta.

Os geradores de rotor bobinado mais utilizados em aerogeradores, são os de polossalientes com grande número de polos, como já dito anteriormente, o grande númerode polos propicia uma baixa velocidade de operação, o que retira a necessidade deuma caixa de multiplicação de velocidades, havendo assim o acoplamento direto coma turbina eólica. Além disso, os polos salientes resultam num maior torque produzidono gerador, e maior robustez na resposta da máquina, permitindo a operação emvelocidade variável [25] [27] [61].

Figura 3.21: Corte de uma máquina síncrona de rotor bobinado, CHAPMAN [24]

Rotor com Ímã Permanente

Esse rotor possui ímãs permanentes como polos de seu rotor, sem a necessidadede excitação externa e sem enrolamentos de campo no rotor, há uma menor ten-são térmica no núcleo do rotor, o que gera também uma redução no tamanho damáquina, permitindo que uma alta potência possa ser alcançada [25] [61].

Os rotores com ímã permanente são geralmente de polos salientes e apresentamentreferros com maior espessura visando uma redução do fluxo magnético concate-nado em seu núcleo. Isso permite com que se construa rotores com elevado número

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de polos, diminuindo muito a velocidade de rotação da máquina, e mesmo assimapresentando dimensões relativamente pequenas em relação a potência de saída damáquina [61].

Assim como o gerador de rotor bobinado, esse rotor devido a essas característicaspermite que se abra mão da caixa multiplicadora de velocidades, diminuindo o seucusto e suas perdas. Outra vantagem é o baixo custo de manutenção, que se limitaapenas a lubrificação. Entretanto, os ímãs permanentes são caros e sensíveis acurto-circuitos e temperaturas elevadas, o que pode provocar a desmagnetização domaterial [59] [61].

A principal desvantagem do gerador de ímã permanente, é que ele apesar deaceitar a operação em velocidade variável, não fornece uma tensão constante à redequando há variações de velocidade e de carga. Para fazer a regulação de tensão énecessário que seja conectado entre o estator e a rede um conversor de potência.

Figura 3.22: Sistema de um Gerador Síncrono de Ímã Permanente com conversorPWM, MARQUES [27]

O sistema mostrado na Figura 3.22 é um dos exemplos que pode ser utilizado.Nele um retificador PWM é colocado entre o gerador e o capacitor de acoplamento,e um PWM inversor é conectado à rede. Segundo MARQUES[27], as vantagensdesse tipo de operação é o ajuste do gerador permitindo-o operar perto de seu pontoótimo, minimizando perdas.

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Capítulo 4

Projeto Proposto

O intuito do trabalho é projetar a instalação de um aerogerador ou um sistema deaerogeradores para ser utilizado em edifícios e casas em centros urbanos no estadodo Rio de Janeiro, principalmente na cidade do Rio de Janeiro, afim de suprirtotalmente ou parcialmente a carga elétrica do imóvel.

4.1 Ventos no Local

Após pesquisas iniciais feitas utilizando-se o Altas Eólico do Rio de Janeiro [5],percebeu-se que na capital apenas talvez os bairros litorâneos teriam potencial eólicosuficiente para a geração por aerogeradores.

Tendo ainda como objetivo focar na cidade do Rio de Janeiro, foram usadosdados coletados através do portal do Instituto Nacional de Meteorologia [28] paraduas estações meteorológicas, a de Copacabana e a de Marambaia (em Barra deGuaratiba), localidades em que se havia a espectativa de boas condições para geraçãoeólica, entretanto os dados analisados não foram nada animadores.

Figura 4.1: Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Copacabana,INMET [28]

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Copacabana apresentou uma média de apenas 2,65 m/s, com maiores frequênciasentre 1m/s e 2m/s na altura do estação meteorológica do Forte de Copacabana,média insuficiente para a geração eólica, mesmo de pequeno porte.

Figura 4.2: Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Marambaia,INMET [28]

A estação de Marambaia, surpreendentemente apresentou um potencial muitoaquém do esperado, levando em consideração o Atlas Eólico do Rio de Janeiro [5],Figura 2.20. Uma velocidade média de apenas 0,89 m/s.

Acredita-se que por estar localizado em uma região onde há uma montanhaentre a estação e o mar, houve uma grande interferência da rugosidade e relevo nasmedições, como indica a Figura 4.3. Contrariando o Atlas Eólico do Rio de Janeiro[5] que na Figura 2.20, apontou a região com um grande potencial eólico.

Figura 4.3: Foto de satélite da Estação Meteorológica de Marambaia, GOOGLE-MAPS [29]

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Assim, a tomada de dados para Barra de Guaratiba e a região da comunidade daparte inicial da Restinga de Marambaia ficou prejudicada, sendo necessário outrosestudos mais aprofundados para ter uma posição mais exata sobre a viabilidade doprojeto na região.

Acompanhamento feito nos meses de fevereiro e março a partir do portal Wind-finder [30], nos permitiu através do levantamento de dados, identificar que o regimede ventos dos bairros de Copacabana (ponto amarelo), Recreio dos Bandeirantes eBarra da Tijuca (ponto verde) são muito parecidos, como pode ser visto na Figura4.4.

Figura 4.4: Gradiente de Velocidade dos Ventos sobre o Rio de Janeiro, dia 03/04,13:40, WINDFINDER [30]

Durante toda a pesquisa, dados levantados diariamente nos mostraram que sem-pre apresentaram velocidades semelhantes, em qualquer hora do dia. O que nos levaa crer que tampouco haja capacidade eólica suficientemente grande para a microge-ração nessas regiões.

O local que se apresentou como ideal, foi a cidade de Arraial do Cabo, apre-sentando ótimo potencial eólico. A cidade geograficamente, como o nome diz érealmente um cabo, um pedaço de terra grande (superior ao pontal e ponta) aden-trando ao mar. De acordo com [62], essa característica faz com que a cidade sejabanhada por ventos constantes durante todo ano. A cidade possui uma estaçãometeorológica tendo seus dados que comprovam seu grande potencial compiladosabaixo:

50

Figura 4.5: Gráfico de frequência relativa por velocidade do vento de Arraial doCabo, INMET [28]

A média de velocidade do vento apresentada chega a 4,57 m/s, sendo razoavel-mente boa para a geração de energia eólica.

Arraial do Cabo sofre influência das brisas marítimas de forma intensa devido àsua característica geográfica, como pode ser percebido na Figura 4.6.

Figura 4.6: Gradiente de Velocidade dos Ventos sobre a Região dos Lagos, dia 03/04,13:40, WINDFINDER [30]

51

Através do portal Weather Spark [31] pode-se ter um levantamento do regimede ventos anual da cidade através de gráficos.

Figura 4.7: Velocidade Média dos Ventos Anual de Arraial do Cabo, WEATHERS-PARK [31]

Arraial do Cabo apresenta condições ótimas para a geração eólica com médiade ventos suficientes para geração de energia elétrica, sendo o local definido para oprojeto.

Os dados coletados para a formação do gráfico da Figura 4.5 indicam que umperíodo superior a 70% do tempo o vento no local é superior a 3 m/s, velocidadeem que a maioria dos aerogeradores começa a gerar energia elétrica.

As médias de velocidade nessa seção, foram calculadas pelo método da médiaponderada da equação 4.1

v =1

n

i∑n

vini (4.1)

4.2 Consumo de Energia

A carga a ser alimentada pelo aerogerador é uma casa simpels, com poucos ele-trodomésticos, como uma geladeira, ventiladores de teto e uma televisão. Essa casacontará com tecnologia termossolar para o aquecimento de água, não necessitandode uso de chuveiro elétrico.

Outras cargas importantes dessa casa, de uso esporádico, não diário, como má-quina de lavar, ferro de passar, boiler do aquecedor termossolar (usado apenas emlongos períodos de dias nublados, a critério dos usuários), utilizarão a rede de dis-tribuição de energia por serem cargas de valores elevados. A exceção é o aparelho

52

de micro-ondas, que tem seu uso como esporádico e muito curto.Todos os itens estão melhor detalhados na Tabela 4.1.

Tabela 4.1: Quadro de Cargas

Dependência Cargas Condiçõesde uso

Tempo de uso(horas/dia)

Potência(W)

Consumo(Wh)

Iluminação Temporário 6 24 144Televisão Temporário 6 90 540Ventiladorde Teto Esporádico 6 130 780

Receptorde TV(stand by)

Permanente 16 20 320Sala

Receptorde TV(em uso)

Temporário 4 50 200

Iluminação Temporário 2 12 24Quarto 1 Ventilador

de Teto Temporário 7 130 910

Banheiro suíte 1 Iluminação Temporário 1 9 9Iluminação Temporário 2 12 24

Quarto 2 Ventiladorde Teto Temporário 7 130 910

Banheiro suíte 2 Iluminação Temporário 1 9 9Corredor Iluminação Esporádico 1 9 9Lavabo Iluminação Esporádico 1 9 9

Iluminação Permanente 3 30 90Microondas Esporádico 0,01 1200 12CozinhaGeladeira Permanente 6 135 810Iluminação Permanente 12 36 432Ferro dePassar Esporádico 1 1000 1000Área Externa/

Área de serviço Maquinade Lavar Esporádico 1 550 550

Resistênciado Boiler Esporádico 0,67 3000 2000

Segundo o Quadro de Cargas 4.1 a casa possui uma carga total de 6,576 kW.Considerando os dias em que todos os equipamentos são utilizados, e seu devido

tempo de uso nesses dias a residência consome a carga de 8,773 kW. Apresentandoum consumo médio por hora de 366 Wh. O que dificilmente ocorre num dia real.

A distribuição da carga ao longo do dia está mostrada detalhadamente nas Tabe-las 4.2,Tabela 4.3 Tabela 4.4 e Tabela 4.5 O funcionamento da geladeira foi modeladoda seguinte forma: seu motor liga a cada uma hora e funciona durante 15 minutos.

53

Tabela 4.2: Consumo de energia ao longo do dia parte 1Hora do dia Tipo de Carga Potência da Carga (W) Tempo de uso (h)

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130Receptor de TV (stand by) 20

00:00-00:15

Geladeira 135

0,25

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130

00:15-01:00

Receptor de TV (stand by) 20

0,75

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130Receptor de TV (stand by) 20

01:00-01:15

Geladeira 135

0,25

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130

01:15-02:00

Receptor de TV (stand by) 20

0,75

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130Receptor de TV (stand by) 20

02:00-02:15

Geladeira 135

0,25

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130

02:15-03:00

Receptor de TV (stand by) 20

0,75

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130Receptor de TV (stand by) 20

03:00-03:15

Geladeira 135

0,25

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130

03:15-04:00

Receptor de TV (stand by) 20

0,75

54

Tabela 4.3: Consumo de energia ao longo do dia parte 2Ventilador quarto 1 130Luz Externa 48Ventilador quarto 2 130Receptor de TV (stand by) 20

04:00-04:15

Geladeira 135

0,25

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130

04:15-05:00

Receptor de TV (stand by) 20

0,75

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130Receptor de TV (stand by) 20

05:00-05:15

Geladeira 135

0,25

Luz Externa 48Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130

05:15-06:00

Receptor de TV (stand by) 20

0,75

Iluminação Banheiro 1 9Ventilador quarto 2 130Receptor de TV (stand by) 20

06:00-06:15

Geladeira 135

0,25

Televisão 90Ventilador quarto 2 13006:15-07:00Receptor de TV (ligado) 50

0,75

Televisão 90Iluminação Banheiro 2 9Receptor de TV (ligado) 50

07:00-07:15

Geladeira 135

0,25

07:15-08:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

08:00-08:15Geladeira 135

0,25

08:15-09:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

09:00-09:15Geladeira 135

0,25

09:15-10:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

10:00-10:15Geladeira 135

0,25

10:15-11:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,7555

Tabela 4.4: Consumo de energia ao longo do dia parte 3Receptor de TV (stand by) 20

11:00-11:15Geladeira 135

0,25

11:15-12:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

12:00-12:15Geladeira 135

0,25

12:15-13:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

13:00-13:15Geladeira 135

0,25

13:15-14:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

14:00-14:15Geladeira 135

0,25

14:15-15:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

15:00-15:15Geladeira 135

0,25

15:15-16:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

16:00-16:15Geladeira 135

0,25

16:15-17:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (stand by) 20

17:00-17:15Geladeira 135

0,25

17:15-18:00 Receptor de TV (stand by) 20 0,75Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Iluminação Banheiro 2 24Luz Interna Cozinha 30

18:00-18:15

Geladeira 135

0,25

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24Luz Interna Cozinha 30

18:15-19:00

Luz Externa 48

0,75

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24Luz Interna Cozinha 30Luz Externa 48Geladeira 135

19:00-19:15

Iluminação Banheiro 1 9

0,25

56

Tabela 4.5: Consumo de energia ao longo do dia parte 4Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24Luz Interna Cozinha 3019:15-20:00Luz Externa 48

0,75

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24Luz Interna Cozinha 30Luz Externa 48

20:00-20:15

Geladeira 135

0,25

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24

20:15-21:00

Luz Externa 48

0,75

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24Luz Externa 48

21:00-21:15

Geladeira 135

0,25

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24

21:15-22:00

Luz Externa 48

0,75

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24Luz Externa 48

22:00-22:15

Geladeira 135

0,25

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24

22:15-23:00

Luz Externa 48

0,75

Receptor de TV (ligado) 50Televisão 90Luz Interna Sala 24Luz Externa 48

23:00-23:15

Geladeira 135

0,25

57

Tabela 4.6: Consumo de energia ao longo do dia parte 5Receptor de TV (stand-by) 50Ventilador quarto 1 130Ventilador quarto 2 130Luz Interna Sala 24

23:15-00:00

Luz Externa 48

0,75

Com base nas Tabelas 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 e 4.6, foi feito o gráfico de representaçãoda carga elétrica ao longo do dia na Figura 4.8.

Figura 4.8: Representação da carga elétrica ao longo do dia.

Todos esses dados apresentados são necessários para identificar o consumo esti-mado que o aerogerador projetado terá que suprir por dia.

58

O gráfico da Figura 4.8 e as Tabelas 4.2, 4.3, 4.4 e 4.5 mostram a casa nos diasregulares de consumo, que configuram a maioria dos dias da semana. Somam umacarga diária de 4,705kWh sendo um consumo médio de 196 W.

Aos finais de semana as cargas são mais difíceis de estimar, devido a aleatoriedadedos eventos que acontecem no cotidiano das pessoas.

4.3 Dimensionamento do aerogerador

Após a definição da carga que o projeto terá de suprir, e do estudo dos ventosno local, é o momento de dimensionar o sistema de geração de energia, definindoo tipo de turbina, as dimensões da turbina, o tipo gerador utilizado para convertera energia mecânica da turbina em elétrica, e a quantidade de turbinas necessáriaspara suprir a carga.

4.3.1 Escolha do Tipo de Turbina

Os modelos de turbinas eólicas foram apresentados no Capítulo 3, e como aintenção é o uso urbano, para a alimentação de uma casa, desde início foi escolhidaa turbina de eixo vertical.

O tipo de TEEV escolhido foi baseado nas características de vento no local enos custos de uma forma geral. Visando aproveitar ao máximo os ventos, aindamesmo quando estiverem mais fracos, e de uma forma que a turbina não precisede um motor de arranque e muito menos de controle de direção das pás, o modeloescolhido é o Darrieus-Savonius, apresentado no Seção 3.2.3.

Conforme já explicado anteriormente, é um modelo combinado de dois modelosjá muito explorados antes. O Savonius, que tem como principal função o funcio-namento a baixas velocidades de vento provendo o arranque necessário para tirara turbina da inércia, característica por ser movido por força aerodinâmica de ar-rasto. Já o Darrieus tem como característica principal o alto rendimento dentre asdemais TEEVs, atinge maior velocidade, características de turbinas movidas porforça aerodinâmica de sustentação, com alto ângulo de ataque.

Esse tipo de turbina funciona com ventos a baixa velocidade, responde bem arajadas de vento, ventos turbulentos e pode ser instalado a pequenas alturas, empostes e telhados.

O trabalho devido às limitações técnicas que temos consiste não na montagem eprodução do aerogerador, mas sim no estudo e pesquisa sobre as turbinas Darrieus-Savonius já existentes. Portanto, o critério utilizado para a escolha do número de páse do tipo de turbina Savonius utilizadas serão de acordo com os modelos encontradosno mercado, que trouxerem o melhor custo benefício para o projeto.

59

As Darrieus-Savonius mais comuns no mercado são as de três pás na parte quese refere à Darrieus. Embora levando-se em consideração o custo, o uso de duas pásfosse mais vantajoso, a turbina de três pás apresenta maior estabilidade, além deprincipalmente mais torque de partida, essencial para o projeto de uma turbina semmotor de arranque.

Já em relação a parte Savonius da turbina, a mais utilizada é a Savonius de duasseções. De acordo com os testes feitos por DÍAZ, PAJARO, SALAS [19], esse modeloé o que apresenta a melhor combinação de características para ser combinada coma Darrieus.

Figura 4.9: Gráfico Comparativo de Torque de Turbinas Savonius, DÍAZ [19]

O gráfico da Figura 4.9 é uma análise conhecida como meshing (malha), ondese é possível fazer uma simulação integral dos sólidos, com a utilização de mais de500000 pontos.

Nesse teste foi analisado o torque nos modelos mais utilizados de turbinas Sa-vonius. Os resultados mostram que a turbina de duas seções tem um desempenhointermediário entre as demais.

Os resultados obtidos no gráfico da Figura 4.10 indicam que o modelo escolhido,Double step, é o modelo mais estável entre todos, apesar de o modelo helicoidaltambém apresentar baixa oscilação e um Cm mais alto de aproximadamente 0,3contra aproximadamente 0,2 do de duas seções.

Combinando as duas simulações, no que se refere a intensidade de torque eestabilidade, percebe-se que a turbina Double step tem resultados mais consistentesque a Helicoidal, que foi o segundo modelo que mostrou uma combinação maispróxima da ideal.

O gráfico de coeficiente de potência versus coeficiente de velocidade periférica da

60

Figura 4.10: Gráfico Comparativo de Cm x Ângulo das turbinas Savonius, DÍAZ[19]

Figura 4.11: Gráfico Comparativo de Cp x TSR (λ) das turbinas Savonius, DÍAZ[19]

Figura 4.11 expressa que o modelo helicoidal tem o maior Cp, de mais de 0,18, sendoo modelo double step ficando em terceiro, quase empatado com o t-modificado, comaproximadamente 0,13. Entretanto, a potência não é a função preponderante paraa turbina Savonius no aerogerador misto Darrieus-Savonius, mas sim o torque.

4.3.2 Escolha do Tipo de Gerador

O projeto proposto tem como objetivo projetar um aerogerador que gere energiaelétrica em um local com uma média de velocidade considerada baixa, de apenas4, 57m/s (mostrado na Seção 4.1), um sistema que tenha o maior aproveitamentoeólico possível no que se diz respeito a faixa de velocidade dos ventos, um sistema

61

robusto quanto a variação de velocidades dos ventos e rajadas, um sistema que exijapouca manutenção, além de um sistema de melhor custo-benefício.

A partir dessas diretrizes e analisando os geradores estudados e apresentados naSeção 3.9, o gerador que mais atende esses requisitos é o gerador síncrono de ímãpermanente.

Na Subseção 3.9.2, é mostrado que os geradores de ímã permanente são capazesde iniciar sua geração elétrica em baixas velocidades, devido à possibilidade deaumentar o número de polos em seu rotor. Essa característica permite que haja oacoplamento direto do gerador à turbina eólica, sem a necessidade do uso de umsistema de multiplicação de velocidades.

Esse acoplamento direto diminui o custo decorrente das engrenagens e das perdasprovenientes do sistema. Entretanto é um gerador que por si só tem um custo maiselevado devido ao alto custo dos ímãs e dos conversores de potência que encarecemesse tipo de gerador. O custo desse tipo de gerador varia a partir de US$115,00. Esegundo CHAPMAN [24] esses geradores apresentam um rendimento de até 95%.

4.3.3 Cálculo das dimensões da turbina

Neste trabalho serão utilizados turbinas comercias, entretanto, para saber quale quantas turbinas selecionar, são necessários alguns estudos.

Os estudos para o dimensionamento da turbina se inciam a partir da potêncianecessária para suprir a carga, que foi apresentada no Subcapítulo 4.2, que foi umconsumo médio de 196 W por hora no mínimo, podendo chegar a 366 W num casohipotético de uso de toda carga ao mesmo tempo.

O cálculo das dimensões da turbina é realizado a partir do conhecimento dapotência necessária para suprir a carga e da velocidade média do vento.

A potência que o vento deverá suprir, deverá também levar em consideração asperdas do sistema. As perdas virão primeiramente do coeficiente de potência daturbina (CP ), também do gerador (ηg).

Por último deve-se considerar as perdas elétricas do conversor de potência (ηc).Sendo assim a fórmula da potência do vento necessária se dá por:

Pvento =Pmedia

CP .ηg.ηc(4.2)

De acordo com os estudos de SRINIVASAN [63] e SHARMA, BISWAS e GUPTA[21] o coeficiente de potência das turbinas Darrieus-Savonius existentes podem variarde 20% a 53%, entretanto esses valores variam de acordo com TSR. Para o dimen-sionamento dessa turbina, será considerado um coeficiente de potência conservadorigual a 20%, devido às baixas velocidades no local, se comparado às turbinas tradi-cionalmente instaladas a 100 m de altura.

62

Os geradores de ímã permanente como citado na Subseção 4.3.2 apresenta umaeficiência de até 95%. Para o dimensionamento será considerado um ηg de apenas90%.

Já o conversor de potência é constituído de um retificador e um inversor. O retifi-cador, tem um rendimento que pode variar de 90%−97% de acordo com HELDWEIN[64]. Para esse projeto o rendimento do retificador será considerado 95%. Já parao inversor, o rendimento varia de 85%− 95% e nesse projeto será considerado 95%,sendo assim o rendimento do conversor ηc será aproximadamente 90% .

Pvento =196

0, 2.0, 9.0, 95.0, 95= 1206, 7W (4.3)

A turbina terá que captar 1206, 7W de potência do vento para uma velocidademédia de 4, 57m/s, portanto a área de captação da turbina poderá ser calculadapor:

A =Pvento

0, 5.ρ.V 3(4.4)

A =1206, 7

0, 5.1, 188.4, 573= 21, 28m2 (4.5)

A soma das áreas varridas pelas turbinas devem ser de 21, 28 m2 (para umadensidade do ar ρ = 1, 188 kg/m3), para ser possível captar do vento uma potênciade 1206, 7 W.

A intenção do projeto é que a instalação das turbinas seja feita no telhado dacasa, para isso o mais viável é que a turbina não seja de dimensões muito grandes.Para se determinar a quantidade de turbinas a ser instalada, um estudo foi feitomostrando o quanto de área cada turbina deve possuir por quantidade de turbinainstalada no sistema.

Tabela 4.7: Área de captação por turbina do sistemaNúmero de turbinas Área de Captação (m2)

1 21,282 10,643 7,094 5,325 4,266 3,557 3,04

Baseado na análise explicitada acima, foi feita uma pesquisa de mercado comos modelos de turbina Darrieus-Savonius existentes, de potência nominal que possaatender às exigências do projeto.

63

Por ser um modelo de turbina ainda novo no mercado, ainda é difícil encontrarprodutos de empresas confiáveis. As marcas praticamente em sua totalidade aindasão de origem chinesa, como já dito na Seção 2.4 Figura 2.8, o maior país emcapacidade eólica instalada no mundo atualmente.

Apesar de as turbinas apresentarem a potência nominal em suas descrições, émuito raro que se forneça o coeficiente de potência da turbina, sendo assim é deextrema relevância para o projeto saber detalhes como a curva de potência. Neladiz a velocidade nominal, onde o aerogerador tem a produção ótima de energia,além da velocidade de partida, quando a turbina começa a gerar energia elétrica nogerador.

A curva de potência diz exatamente quanto de energia a turbina irá produzirde acordo com o comportamento dos ventos no local. De acordo com o quantode energia será produzido na velocidade média dos ventos durante o ano, pode-seescolher a turbina que melhor atenderá a demanda do projeto.

64

Tabela 4.8: Turbinas Darrieus-Savonius com capacidade de geração desejável dosfabricantes HIVAWT[20], WINDWING, LECTSTYLE, NAIER, DELIGHT, TYP-MAR, ENGELEC

Marca ModeloPotêncianominal(W)

Velocidadenominal(m/s)

Velocidadede partida(m/s)

Diâmetrodo rotor(m)

Áreavarrida(m2)

Potênciaa 4, 57m/s

(W)HiVAWT DS-1500 1500 12 <3 2,80 24,61 80HiVAWT DS-700 700 12 <2 1,93 11,70 140HiVAWT DS-300 300 13,5 <3 1,24 4,83 20Wind Wing WKV-300 300 12 2,0 1,06 3,53 0Wind Wing WKV-400 400 12 2,5 1,06 3,53 0Wind Wing WKV-600 600 12 2,5 1,32 5,47 0Lectstyle LST300Q3 300 11 1,5 1,38 5,98 0Lectstyle LST400FT 200 10 2,0 0,80 2,01 0Lectstyle LST300FT 300 10 2,0 0,80 2,01 0Lectstyle LST400Q4 400 11 1,5 1,38 5,98 0Naier NE-400Q4 400 10 1,2 1,20 4,52 0Naier NE-300Q4 300 11 1,5 1,38 5,98 0Delight DE-AW05 300 11 1,5 1,40 6,15 0Delight DE-AW05 400 11 1,5 1,40 6,15 0Typmar CXF-300 300 12 1,3 1,24 4,83 0Typmar CXF-400 400 12 1,3 1,24 4,83 0Typmar CXF-600 600 13 1,3 1,70 9,07 0Engelec EN-300W 300 11 1,5 1,40 6,15 0Engelec PT-400W 400 11 1,5 1,40 6,15 0Engelec PT-500W 500 11 1,5 1,40 6,15 0

Entretanto, dentre as diversas turbinas encontradas no e-commerce apenas umaempresa ofereceu a Curva de Potência em seu site oficial, a HIVAWT[20]. Foi tentadofazer contato com os fabricantes, porém sem sucesso.

Sendo assim, apenas nas turbinas dessa marca pôde-se estudar o quanto deenergia em média cada turbina irá produzir.

Segundo a Equação 4.5, apenas 21, 28 m2 de área varrida pelo sistema de ae-rogeradores já seria o suficiente. Buscando seguir essa diretriz, tem-se as seguintesconfigurações do sistema de aerogeradores possíveis:

65

1. 5 DS-300 -> Atotal : 24, 14m2

2. 2 DS-300 + 1 DS-700 -> Atotal : 21, 35m2

3. 2 DS-700 -> Atotal : 23, 40m2

4. 1 DS-1500 -> Atotal : 24, 61m2

Acontece que as diferentes turbinas, com diferentes tamanhos apresentam naprática diferentes CP que variam por λ. Dessa forma, o cálculo feito no projetocom um CP = 20%, se mostrou insuficiente para a estimativa da quantidade deturbinas, pois somente uma das turbinas teve o desempenho próximo ao esperadopara a velocidade média de 4,57 m/s, a DS-700.

Considerando-se os sistemas acima operando à velocidade média (4, 57 m/s),teríamos as seguintes potências sendo fornecidas à rede.

1. 5 DS-300 -> P = 100 W

2. 2 DS-300 + 1 DS-700 -> P = 180 W

3. 2 DS-700 -> P = 280 W

4. 1 DS-1500 -> P = 80 W

O resultado é surpreendente, ocorreu devido a análise feita ao gráfico de curvade potência de cada turbina.

Figura 4.12: Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-300, HI-VAWT [20]

66

A Darrieus-Savonius de 300 W gera aproximadamente 20 W à velocidade média,precisando de um vento a quase 12 m/s para gerar a potência necessária, apesar deser um aerogerador de baixa potência ele só gera o prometido à altas velocidades devento. Se considerar a geração a velocidade média, seria necessário um sistema de10 aerogeradores DS-300 para suprir a carga, sendo inviável sua utilização sozinho.

Figura 4.13: Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-1500,HIVAWT [20]

O aerogerador DS-1500 apesar de ser de potência 5 vezes maior que o DS-300,também não é capaz de entregar a potência desejada à velocidade média, conse-guindo gerá-la apenas com velocidade próxima a 7m/s, velocidade de vento comumna região, porém sabe-se que durante boa parte do dia e do ano, essa velocidadepode não ser alcançada, deixando a desejar o fornecimento de energia do sistema.

Considerando-se apenas o seu uso na velocidade média do vento, seria necessárioo uso de 3 aerogeradores, havendo assim ainda uma pequena folga, porém quando ovento estivesse um pouco acima da média, haveria um excedente, acima do aceitávelpara o projeto. Além disso, esse sistema seria muito caro.

O DS-700 é a turbina que apresenta a menor velocidade de partida, e curva depotência mais íngreme, chegando a aproximadamente 140 W na velocidade média,sendo 75% da carga esperada por hora.

Dos cálculos baseados na teoria das área, apenas a opção 3 se mostra viável, parao projeto. O excedente de energia produzido quando há vento na velocidade médiade 4, 57m/s é de 90 W aproximadamente, e é considerado bom. Será utilizado comomargem de segurança. O sistema não ficará superestimado, pois irá suprir partedas cargas esporádicas que não entraram como objetivo do projeto, e também deixamargem para futuro aumento de carga se desejado.

67

Figura 4.14: Gráfico de Potência x Velocidade do Vento da turbina DS-700, HI-VAWT [20]

Desta forma o sistema será composto por duas turbinas DS-700, cada uma comárea de captação de 11, 70m2, somando 23, 40m2.

4.3.4 Escolha do Gerador Elétrico

Escolhida a turbina a ser usada e sua respectiva potência nominal de operação,a próxima etapa é escolher o gerador elétrico a ser utilizado. Na Subseção 4.3.2ficou definido que o gerador a ser utilizado seria o de ímã permanente, devido a suacaracterística de poder operar em baixas velocidades, assim permitindo o acopla-mento direto ao rotor da turbina, sem a necessidade de caixa de engrenagens paraa multiplicação de velocidade, diminuindo perdas e o custo de mais um dispositivono sistema.

O gerador escolhido deve ter uma potência nominal ligeiramente superior a po-tência nominal da turbina, para que seja capaz de atender a potência pedida pelacarga sem sofrer danos por sobrecarga, ou ter limitações em ventos superiores aoestipulado em operação nominal.

A potência nominal da turbina apesar de ser 700 W, a curva de potência naFigura 4.14 indica que a turbina pode chegar a gerar até 850 W de potência em suaoperação na velocidade máxima de 13m/s. Cada um dos dois geradores do sistemadeverão ter uma potência nominal de 800 W.

O gerador utilizado para operar junto com a turbina HiVAWT DS-700, é umgerador de ímã permanente trifásico de 800 W de potência nominal da marca JSRXZXX. Mais algumas informações estão especificadas na Tabela 4.3.4.

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Tabela 4.9: Especificações do Gerador,R&XENERGY [32]Marca JSRX ZXXModelo RX-800PPotência nominal (W) 800Velocidade de rotação nominal (rpm) 500Velocidade de partida (m/s) 1,5Tensão nominal (V) 24 / 48Torque de partida (N.m) 0,72

4.3.5 Escolha do Conversor

Como já foi dito na Subsubseção 3.9.2, um gerador de ímã permanente nãopermite a regulação de tensão de saída, sendo necessária a utilização de um conversorde potência para tal.

Para isso será instalada na saída do gerador uma ponte retificadora trifásica quesuporta até 1500 W (ver Apêndice C), do retificador será conectado um inversorgrid tie de 1000 W (ver Apêndice D) e do inversor conectado à rede.

Entende-se que esse inversor não precisa de sistema de Dump Load (sistemainterno que desvia o excesso de carga para um resistor), porque o aerogerador foiprojetado para que o fornecimento de potência não ultrapasse a capacidade dosequipamentos, além disso, a turbina eólica também vem equipada com sistema defreios.

4.4 Balanço de Energia entre Geração e Carga Elé-

trica

O cálculo do balanço de energia entre geração e consumo de energia é relevantepara saber se a energia produzida será o suficiente para a carga, ou para saber oquanto será o excedente de energia.

Baseando-se nos dados do gráfico da Figura 4.15, será calculada a geração deenergia ao longo do dia do sistema de aerogeradores do projeto.

69

Figura 4.15: Gráfico de Velocidade do Vento por Hora do dia

A distribuição de energia elétrica gerada pelo sistema foi calculado através daanálise do gráfico da Curva de Potência da Figura 4.14, para extrair a potênciagerada por dois geradores DS-700 para cada velocidade do vento. A empresaHIVAWT[20], já considera no Gráfico 4.14 as perdas do gerador e conversor depotência.

O resultado está representado na Tabela 4.10 e gráfico da Figura 4.16 abaixo.

Figura 4.16: Gráfico de Geração de Energia do Sistema Eólico deste projeto

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Tabela 4.10: Potência elétrica gerada pelo sistema eólico ao longo de um dia emmédia

Hora do dia (h) Velocidade do Vento (m/s) Sistema Eólico (W)0 4,5 2381 4,5 2382 4,4 2323 4,3 2244 4,2 2205 4,2 2206 4,1 2107 4,0 2008 3,9 1909 3,9 19010 3,9 19011 4,2 22012 4,4 23213 4,5 23814 4,8 27015 4,9 28416 5,0 30017 5,1 32018 5,1 32019 5,1 32020 5,0 30021 4,9 28422 4,7 26023 4,6 244

Pelo Gráfico 4.16 e pela Tabela 4.10, é possível obter a média de energia produ-zida por dia, através da soma de cada energia média gerada por hora. A produçãomédia de energia é de 5,944kWh.

O passo agora é analisar o balanço de energia, através da sobreposição do gráficode carga e o gráfico de geração do sistema de aerogeradores.

71

Figura 4.17: Balanço de Energia

Subtraindo as funções Sistema Eólico e Carga temos o Gráfico4.18

Figura 4.18: Resultado do Balanço de Energia

Analisando-se o Gráfico 4.18 é possível perceber que há um excedente considerá-vel. A parte positiva do gráfico corresponde a 2129 Wh enquanto a parte negativacorresponde a −995 Wh, consequentemente o saldo energético é um excedente de1134 Wh.

Esse excedente pode ser utilizado para suprir as cargas que não previstas noprojeto como explicitado na Seção 4.2.

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Dessa forma foi feita uma análise introduzindo o uso da máquina de lavar e doferro de passar, respectivamente durante uma hora cada uma, e foi feito o balanço.

Figura 4.19: Balanço de Energia com Carga Total

Figura 4.20: Resultado do Balanço de Energia com Carga Total

No saldo à carga total, a parte positiva apresenta apenas 563Wh, enquanto anegativa apresenta −929, 3Wh, resultando em −366, 3Wh de saldo.

Para o perfil à carga total, o sistema de aerogeradores supre 94, 12% da carga.

73

O segundo cenário é repetido em média 3 vezes por semana, enquanto o primeiro2 vezes, restando assim um saldo positivo de 1169Wh.

Pensando-se nas hipóteses para o final de semana pode-se ter dois cenários ex-tremos, um com a carga sendo utilizada quase em sua totalidade, e outro quase nomínimo de sua capacidade.

Imaginando-se que todos os moradores estejam em casa, é possível visualizarque a carga poderia chegar facilmente acima de 700Wh. O sistema seria incapaz desuprir energia suficiente em condições as quais a velocidade do vento seja a médiade 4, 57m/s, mas sendo supridas caso os ventos estejam acima de 7m/s.

Já na hipótese em que não haja gente em casa durante um dia, a carga poderáse manter oscilando entre 20Wh e 155Wh, apenas com a geladeira sendo cargasignificativa, sendo facilmente suprida pelo sistema em condições nominais, havendoainda um grande excedente.

Como durante o ano na maioria dos dias haverá pessoas em casa, na maior partedas vezes o sistema não conseguirá suprir na totalidade na maioria dos sábadose domingos. Sendo assim, acredita-se que o saldo excedente médio de 1169Whacumulado durante a semana supra parte dessa carga, ainda assim havendo espaçopara os 100Wh do custo de disponibilidade da rede distribuidora de energia.

4.5 Custo do Projeto

Tabela 4.11: Tabela de CustoItem Unidades CustoDS-700 2 R$ 32.690,00Gerador 800W 2 R$ 2.790,00Ponte Retificadora 2 R$ 320,00Inversor 2 R$ 2.900,00Mastro 2 R$ 500,00

TOTAL R$ 39.200,00

Essa residência tem um consumo mensal de aproximadamente 488kWh, de acordocom a tarifa amarela da Enel [65] (concessionária de distribuição de energia deArraial do Cabo) de R$0, 71584, resultando em aproximadamente R$350, 00 pormês.

Custo mensal = 488× 0, 71584 = R$349, 33 (4.6)

Considerando-se que a Enel cobra um custo de disponibilidade de 100kWh, aproxi-madamente R$71, 58, descontando isso do valor mensal da conta de luz, e dividindo o

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custo total do sistema por esse valor, obterá o valor do tempo de retorno do projeto,que será de 11 anos e 10 meses.

Tempo de Retorno =39200

349, 33− 71, 58=

141, 1311

12= 11, 76anos (4.7)

75

Capítulo 5

Conclusões

Durante todas as etapas desse trabalho, foram tratados diversos conceitos dasáreas técnicas, histórico, políticas e econômicas no que se diz respeito a geração deenergia eólica. Foram mostrados os motivos pelos quais é a forma de geração deenergia que mais cresce no Brasil, além de ter sido apresentado diversos tipos deturbinas eólicas para a captação da energia dos ventos.

O estudo do perfil dos ventos por ter sido apenas fruto de pesquisa e análise dedados já existentes, porém sem o uso de instrumentos de medição para a coleta dedados, foi um limitador na escolha do local de instalação do sistema. A média dosventos entre 4 e 5 m/s ainda é considerada baixa para a geração de energia elétrica,e dificultou a escolha do porte da turbina para atender a carga do projeto.

O trabalho escolheu um tipo de turbina diferente do que comumente é apresen-tado em projetos e encontrado em operação no país. E o projeto se mostrou simples,eficiente e fácil de ser aplicado.

A metodologia se baseou na escolha de uma turbina que tivesse um desempenhoaceitável para a velocidade média encontrada através da análise dos dados coleta-dos, que foi considerada a velocidade nominal do sistema (4,57 m/s). E a análisedo desempenho da turbina se deu através do estudo do gráfico da curva de potênciafornecida pelo fabricante, entre outros dados. O gerador elétrico foi escolhido dife-rente do que o fornecido pela empresa da turbina, tendo potência nominal de 800W, 100 W acima da potência nominal da turbina, mas de acordo com a potênciamáxima que a mesma pode alcançar de acordo com a curva fornecida pela HiVAWT[20], para que dessa forma possa gerar a maior quantidade de energia possível, semoferecer danos ao gerador.

O trabalho se baseou num sistema conectado on grid, no qual o aerogeradorconectado no relógio, fornece a energia gerada à rede, descontando a energia gastaem caso de consumo maior que fornecimento, ou gerando créditos na sua conta coma distribuidora de energia em caso de meses em que o fornecimento seja maior queo consumo, de acordo com a Resolução Normativa ANEEL no 482/2012 [39].

76

O projeto se mostrou cientificamente viável e entrega a energia necessária parasuprir toda a carga da casa como mostra da Seção4.4, com isso atinge o objetivoinicial. Porém, o fato de ainda ser um tipo de turbina difícil de ser encontrada nomercado, e ainda sendo exclusivamente do mercado chinês, trouxe alguma dificul-dade e limitação nas possíveis escolhas para o projeto. Sendo assim, foi escolhidaa marca que oferecia mais detalhes e passou mais confiança para a elaboração doprojeto. Com isso não se pôde comparar as opções de turbinas pelos valores, enca-recendo o sistema eólico.

De acordo com o estudo, o investimento total do projeto seria de R$39.200, 00,sendo o retorno obtido entre 10 e 12 anos dependendo da tarifa de energia e do custode disponibilidade de energia tarifado pelo concessionária. O tempo de retorno aindaé considerado longo, tendo em vista que o sistema promete durabilidade de 20 anos.

Alguns itens deixaram de ser analisados nesse projeto, deixando para que emtrabalhos futuros possam ser estudados, são eles:

• Estudo dos sistemas de freio;

• Sistema de controle do ponto de operação das turbinas;

• Estudo do sistema de controle do conjunto de turbinas;

• Rendimento e distribuição ótima das turbinas no espaço;

• Teste das turbinas HiVAWT;

• Comparação dos resultados obtidos experimentalmente, com os calculados te-oricamente e os fornecidos pela HiVAWT.

É a intenção que esse projeto possa esclarecer dúvidas e contribuir para o desen-volvimento e estudo da geração de energia eólica como aproveitamento na geraçãodistribuída.

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Apêndice A

Turbina Eólica

Figura A.1: Descrição Turbina DS-700 parte 1, HIVAWT [20]

83

Figura A.2: Detalhes Instalação no Telhado parte 1, HIVAWT [20]

84

Figura A.3: Mastro , HIVAWT [20]

85

Figura A.4: Detalhes do Mastro, HIVAWT [20]

86

Figura A.5: DATA SHEET DS-700, HIVAWT [20]

87

Apêndice B

Gerador

Figura B.1: Gerador 800 W, R&XTECH [32]

Figura B.2: Parâmetros do Gerador 800 W, R&XTECH [32]

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Apêndice C

Retificador

Figura C.1: Ponte Retificadora Trifásica, MAPARECIDA [33]

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Apêndice D

Inversor

Figura D.1: Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto perfil , FREE ENERGY [34]

Figura D.2: Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto entrada CC , FREE ENERGY[34]

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Figura D.3: Inversor de Potência Grid Tie 1000W foto saída CA , FREE ENERGY[34]

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