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Ponta Grossa
2019
RAFAEL SOARES
ESTUDO DO PROCESSAMENTO E DA PRODUÇÃO DE ENERGIA EÓLICA
Ponta Grossa 2019
ESTUDO DO PROCESSAMENTO E DA PRODUÇÃO DE ENERGIA EÓLICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Elétrica.
Orientador: Daiane Garabell Trojan
RAFAEL SOARES
RAFAEL SOARES
ESTUDO DO PROCESSAMENTO E DA PRODUÇÃO DE ENERGIA
EÓLICA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Elétrica.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Felipe Biglia
Prof. Marcos William
Prof. Fabio Junio Alves Batista
Ponta Grossa, 19 de junho de 2019.
SOARES, Rafael. Estudo do processamento e da produção de energia eólica. 2019. 28 folhas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – UNOPAR, Ponta Grossa, 2019.
RESUMO
A temática deste estudo correspondeu a discorrer acerca da energia eólica. A questão que norteou essa pesquisa foi: qual o impacto da produção de energia eólica na matriz energética brasileira e suas perspectivas de crescimento? O objetivo geral foi compreender o processamento da energia eólica. Os objetivos específicos foram: descrever os tipos de fontes renováveis de energia; explicar o funcionamento e as principais características dos componentes de um sistema de energia eólica; descrever as funcionalidades de geradores eólicos modernos e futuras tecnologias. A metodologia que foi utilizada para o desenvolvimento do trabalho de conclusão de curso foi o método de Revisão de Literatura. Constatou-se que o cenário eólico no Brasil tem crescido; nos projetos de pequeno porte destaca-se o net-metering, que é um mecanismo de compensação, o qual permite que consumidores possam produzir energia em suas próprias edificações e injetar o excedente gerado na rede de distribuição. Enquanto nos projetos de grande porte, destacam-se os parques eólicos, que tem se expandido no cenário energético brasileiro.
Palavras-chave: Fontes Renováveis; Energia eólica; Aerogeradores.
SOARES, Rafael. Study about processing and production wind energy. 2019. 28 pages. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – UNOPAR, Ponta Grossa, 2019.
ABSTRACT
The theme of this study was to discuss wind energy. The question that made this research was: the impact of wind energy production on the Brazilian energy matrix and its growth prospects? The overall objective was the use of wind energy. The objectives were: to describe the types of renewable energy sources; run the operation and main components of the components of a wind power system; The functionalities of modern wind generators and future technologies. The methodology that was used to develop the course completion work was the Literature Review method. It was verified that the wind in Brazil scenary has grown; in small-scale projects has a emphasis the net-metering, which is a compensation mechanism that allows solar protection systems to be exposed to energy and injected into the surplus distribution network. While in the the large ventures has a emphasis, especially wind farms, which have expanded in the Brazilian scenary.
Key-words: Renewable sources; Wind power; Wind generators.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Gerador de eixo horizontal ........................................................................ 16
Figura 2 - Classificação das pás ............................................................................... 17
Figura 3 - Gerador de eixo vertical ............................................................................ 17
Figura 4 - Principais partes de uma turbina ............................................................... 18
Figura 5 - Representação do sistema de conversão de energia ............................... 19
Figura 6 - Tecnologias das turbinas eólicas .............................................................. 23
Figura 7 - Instrumentos de medição da torre ............................................................ 25
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 8
2 AS ENERGIAS RENOVÁVEIS ........................................................................... 10
3 O FUNCIONAMENTO E OS COMPONENTES DE UM SISTEMA DE ENERGIA EÓLICA ...................................................................................................................... 15
4 AS FUNCIONALIDADES DE GERADORES EÓLICOS MODERNOS E AS FUTURAS TECNOLOGIAS ....................................................................................... 21
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 27
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 28
8
INTRODUÇÃO
O uso de fontes renováveis de energia, tais como a água, o vento, as ondas do
mar, a biomassa e a energia solar tem se ampliado. Dentre as diversas fontes
renováveis, destaca-se a energia eólica, cuja fonte é proveniente do aproveitamento
dos ventos e é considerada uma das melhores fontes de energia elétrica renovável.
Além dos preços relacionados à essa tecnologia serem competitivos no
mercado de geração elétrica, ela é uma fonte de energia limpa, que não emite gases
de efeito estufa, possuem um tempo curto de instalação de usinas quando
comparadas à uma usina hidrelétrica. No Brasil, foi criado em 2004 o Programa de
Incentivo às fontes alternativas de energia elétrica (PROINFA) com o objetivo de
diversificar a matriz elétrica brasileira aumentando a segurança do abastecimento de
eletricidade, que até o momento era totalmente dependente dos regimes pluviais, pela
energia ser quase em sua totalidade proveniente de usinas hidrelétricas.
Diante disso, a temática deste estudo correspondeu a discorrer acerca da
energia eólica. Justifica-se a escolha deste tema pela necessidade observada durante
a trajetória acadêmica de identificar os principais elementos relacionados à eficiência
energética de fontes renováveis. Com todo avanço na utilização de fontes alternativas
de energias, este trabalho buscou evidenciar a energia eólica como uma excelente
fonte de energia sustentável.
Pela perspectiva econômica, a geração de energia eólica possui custos
competitivos comparados aos custos das fontes convencionais de energia. Nesse
contexto, a questão que norteou essa pesquisa foi: qual o impacto da produção de
energia eólica na matriz energética brasileira e suas perspectivas de crescimento?
O objetivo geral foi compreender o processamento da energia eólica. Os
objetivos específicos foram: descrever os tipos de fontes renováveis de energia;
explicar o funcionamento e as principais características dos componentes de um
sistema de energia eólica; descrever as funcionalidades de geradores eólicos
modernos e futuras tecnologias.
A metodologia que foi utilizada para o desenvolvimento do trabalho de
conclusão de curso foi o método de Revisão de Literatura. Foi realizada uma consulta
a dissertações, teses e artigos científicos selecionados através de busca nas bases
do Google Acadêmico, livros e Scielo. O período dos artigos pesquisados foram os
9
trabalhos publicados nos últimos quinze anos. As palavras-chave utilizadas na busca
foram: energia eólica, geradores eólicos, energia limpa e energia sustentável.
10
AS ENERGIAS RENOVÁVEIS
A preocupação da sociedade com a sustentabilidade, assim como a grande
poluição gerada pelas fontes de energia não renováveis e o eminente esgotamento
das matérias primas próprias para a geração de energia leva a pensar em fontes
alternativas de energia. Essas fontes têm ganhado importância e se tornado
imprescindíveis à diversificação da matriz energética dos países (PEREIRA et al,
2015).
No caso do Brasil, a crise do setor elétrico brasileiro, em 2001, reflexo da falta
de investimentos no setor, alertou para a vulnerabilidade do país em ter se
concentrado em apenas uma forma de geração de eletricidade. A crise de insuficiência
energética mostrou a defasagem de investimento na capacidade instalada no país
para prover energia elétrica à sociedade, defasagem que precisa ser coberta em curto
prazo. Essa crise, também, evidenciou a fragilidade de um sistema energético que se
concentra em uma única e maior fonte de suprimento de eletricidade para o país,
apontando as vulnerabilidades de uma matriz hídrica, em face das alterações
sazonais e das intempéries climáticas, quando não bem administradas (BRAGATO,
2012).
Para Terciote (2012), são consideradas fontes de energia, toda substância
capaz de produzi-la em processo de transformação; assim como, as formas de
energia, associada, ou não, ao movimento dos corpos, fluidos e gases, ou à
temperatura das substâncias, cuja transformação, em outras formas de energia, pode
ser realizada em larga escala. As fontes de energia podem ser classificadas em fontes
primárias e fontes secundárias.
Fontes primárias de energia são aquelas originadas de processos
fundamentais da natureza. Como exemplo, cita-se a energia dos núcleos dos átomos
e a energia gravitacional. Já as fontes secundárias são aquelas derivadas das
primeiras, representando apenas transformações ou diferentes formas daquelas.
Como exemplo, cita-se a energia da biomassa, advinda da energia solar, e das marés
advinda da energia gravitacional (TERCIOTE, 2012).
O termo eficiência refere-se “[...] à capacidade de ser efetivo, é uma virtude ou
característica de (alguém ou algo) ser competente, produtivo, de conseguir o melhor
rendimento com o mínimo de erros e/ou dispêndios” (VIANA, 2012, p. 129).
11
De acordo com Motta (2016), apesar de grandes avanços com relação ao uso
da energia renovável o Brasil ainda está em estágio inicial. Isto serve como um
encorajamento para compreender de forma mais detalhada sobre cada processo que
envolve a manutenção da eficiência energética, visto que “[...] o Brasil, ao final de
2010, ocupava a 21ª posição no ranking mundial em termos de capacidade energética
renovável, com um total de 930 MW” (MOTTA, 2016, p.25).
As energias renováveis são aquelas provenientes de ciclos naturais de
conversão da radiação solar, fonte primária de quase toda energia disponível na Terra
e, por isso, são praticamente inesgotáveis e não alteram o balanço térmico do planeta
(PACHECO, 2012). São exemplos de fontes de energia renovável a energia
hidrelétrica, solar, eólica, do mar e geotérmica.
O Brasil é o maior país da América do Sul, com grande potencial na geração
de energia hídrica, termoelétricas, eólica e solar, as quais são consideradas de alta
tecnologia. O Brasil considerado um país tropical tem todo seu território banhado por
uma intensa radiação solar, porém a forma de energia que mais se destaca é a oriunda
de fontes hídricas. A energia solar pode ser usada como fonte de energia térmica e é
a partir dela que se dá a evaporação, responsável pelo ciclo das águas, que possibilita
o represamento de rios e a consequente geração por hidrelétricas, sendo esta a
tecnologia responsável por mais de 90% da energia elétrica gerada no Brasil. A
radiação solar também provoca à circulação atmosférica em alta escala, acarretando
os ventos, que podem ser aproveitados através da energia eólica (MOTTA, 2016).
A energia solar tem sido adotada por vários países que passaram a vê-la como
uma fonte de energia limpa. Para iniciar a captação de energia solar, é necessário
a construção de usinas em áreas onde há grande quantidade de luz solar, pois a
energia solar atinge a Terra de forma tão difusa que necessita captação em grandes
áreas (GOLDEMBERG, 2012).
A energia eólica refere-se a energia cinética oriunda do vento, possuindo vários
benefícios que envolvem vários conteúdos fundamentais da física. O aproveitamento
desta energia ocorre através da conversão da energia cinética de translação em
energia cinética de rotação, com aplicação de turbinas eólicas, também chamadas de
aerogeradores, para a geração de eletricidade, ou cataventos (e moinhos), para
trabalhos mecânicos como bombeamento d’água. Do mesmo modo que a energia
hidráulica se usa a energia eólica há milhares de anos (ANEEL, 2008).
12
A Biomassa consiste em toda matéria orgânica de origem vegetal ou animal
usada com a finalidade de produzir energia, como carvão, lenha, bagaço de cana-de-
açúcar, entre outros. Por se tratar de uma fonte de energia dispersa e de baixa
eficiência, utilizada tradicionalmente em países pouco desenvolvidos, existe certa
ausência de dados referentes à representatividade dessa fonte de energia para a
matriz energética mundial (FREITAS, 2016).
A energia solar fotovoltaica é uma das mais abundantes, desse modo, ela
consiste em uma das alternativas mais promissoras para a composição de uma nova
matriz energética mundial. As células fotovoltaicas são dispositivos capazes de
transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em
energia elétrica. Uma célula fotovoltaica pode funcionar como geradora de energia
elétrica a partir da luz, ou com um sensor capaz de medir a intensidade luminosa
(VERMA; MIDTGARD; SATRE, 2011).
A geração de energia elétrica a partir do aproveitamento de recursos eólicos é
obtida quando a energia cinética do vento movimenta um conjunto de pás de um
aerogerador. Esses equipamentos são projetados para que as pás, deslocadas pelo
ar, possam girar um rotor que transmite este movimento para um gerador que por sua
vez converte, através de um conversor de potência, a energia mecânica recebida em
energia elétrica (ABREU, 2014).
Os aerogeradores possuem na sua essência três elementos, que são o rotor,
eixo gerador e diversos outros componentes secundários que variam de acordo com
o tipo e modelo do equipamento. Sucintamente, o rotor é o conjunto das pás e cubo
do aerogerador responsável por capturar a energia no vento, o eixo é o elo que
transfere a energia captada no rotor para o gerador, e o gerador é o responsável pela
conversão de energia mecânica em elétrica (AQUILA, 2015).
O conjunto dos aerogeradores é que forma um parque eólico, cuja localização
é definida após o levantamento prévio das condições climatológicas dos locais
previamente mapeados nos atlas eólicos (AQUILA, 2015). A partir de então são
realizados os estudos de ventos e definição do posicionamento de cada aerogerador.
Na fase de implantação de uma usina eólica são construídas as bases ou
fundações das máquinas, em concreto armado, que sustentam as torres dos
aerogeradores. Esses equipamentos são interligados por cabos de média tensão e
um sistema de comunicação. As conexões são levadas à subestação, que por sua
13
vez possui centros de transformação, inversores, e sistemas de proteção, fazendo a
conexão com o ponto de injeção definido. O empreendimento possui também um
centro de controle ou edifício de comando onde todo o parque pode ser operado
(GIORGETTO, 2012).
O mecanismo de leilão de contratos tem crescido nos últimos anos, motivado
por sua capacidade de conseguir a implantação de energia renovável de acordo com
a necessidade do sistema e de forma planejada, sendo seus pontos fortes a
flexibilidade, o potencial para a descoberta do preço do real, a capacidade de garantir
uma maior segurança no preço e na quantidade, e a transparência do processo
licitatório (TOLMASQUIM, 2016).
No Brasil, para organizar esse mercado, o governo estabeleceu as diretrizes
que viabilizaram o funcionamento de um novo modelo do setor elétrico por meio das
leis nº 10.847 e nº 10.848, de 15 de março de 2004. A proposta era de assegurar a
eficiência na operação e prestação do serviço aos consumidores, de criar um
ambiente regulatório estável e que viabilizasse a concorrência, garantir a modicidade
tarifária e mostrar-se atrativo ao ingresso de novos investimentos privados no setor
(BRASIL, 2004).
Através do Proinfa iniciou-se a instalação de parques eólicos no Brasil. Com as
mudanças institucionais ocorridas em 2004, mesmo com o sucesso de inicialização
representado pelo Proinfa, sua segunda fase foi abandonada. Então, a partir de 2005,
as fontes renováveis alternativas foram sendo incorporadas através dos sistemas de
leilões na matriz elétrica promovidas por meio dos diferentes tipos de leilões previstos
na legislação para o mercado regulado, por diferentes modelos de contratos e com
base em diferentes sistemas de seleção. Os leilões se mostraram disponíveis e
possivelmente mais interessantes para a promoção dessas formas de energia e com
eles os valores pagos aos produtores para as novas unidades implantadas caíram,
assim consolidaram, em particular, a presença da energia eólica na matriz elétrica
brasileira (PRADO, 2014).
Os operadores deste sistema estão segmentados em agentes de geração,
transmissão, distribuição e comercialização. Em relação à comercialização da energia
elétrica se criou dois ambientes de mercado: Ambiente de Contratação Regulada
(ACR) e o Ambiente de Contratação Livre (ACL). No ACR o regulador exerce maior
pressão sobre as condições das transações de compra e venda de energia visando
14
compatibilizar modicidade tarifária e atratividade de novos investimentos. No ACL, as
transações são direcionadas pelas forças de mercado, firmadas bilateralmente entre
agentes compradores e vendedores, sem intervenção do regulador (GIORGETTO,
2012).
O mecanismo de leilão de contratos tem crescido, motivado por sua capacidade
de conseguir a implantação de energia renovável de acordo com a necessidade do
sistema e de forma planejada, sendo seus pontos fortes a flexibilidade, o potencial
para a descoberta do preço do real, a capacidade de garantir uma maior segurança
no preço e na quantidade, e a transparência do processo licitatório (TOLMASQUIM,
2016).
Além disso, em 2012 houve um aumento no inventivo a geração em pequena
escala de energia. Com isso, a ANEEL publicou a resolução que estabelece regras
para o net-metering, mecanismo de compensação que permite que consumidores
possam gerar energia em suas próprias edificações e injetar o excedente gerado na
rede de distribuição através de fontes renováveis (tais como energia hidráulica, solar,
eólica, biomassa ou cogeração qualificada) (ANEEL, 2012).
Segundo atualização, em vigor desde 1º de março de 2016, é permitido o uso
de qualquer fonte renovável, além da cogeração qualificada. Denomina-se
microgeração distribuída a central geradora com potência instalada até 75 quilowatts
(kW) e segundo alteração pela Resolução Normativa n° 786, de 17 de outubro de
2017, minigeração como central geradora de energia elétrica, com potência instalada
superior a 75 kW e menor ou igual a 5 MW (sendo 3 MW para a fonte hídrica),
conectadas na rede de distribuição por meio de instalações de unidades
consumidoras (STEFANELLO; MARANGONI; ZEFERINO, 2018).
15
3.O FUNCIONAMENTO E OS COMPONENTES DE UM SISTEMA DE ENERGIA EÓLICA
A energia eólica é a energia proveniente do aproveitamento dos ventos, por
sua vez, pode ser considerada como um dos meios indiretos de energia solar, visto
que os ventos são gerados pelo aquecimento da superfície da terra. De acordo com
a ANEEL (2005), a energia eólica ocorre por meio da conversão da energia cinética
de translação em energia cinética de rotação, através das turbinas eólicas, que
também são conhecidas como aerogeradores.
As turbinas eólicas ou aerogeradores constituem um Sistema de Conversão de
Energia Eólica. A potência da energia cinética transformada em energia elétrica é
determinada pela função ao cubo da velocidade v do vento (BERNARDES, 2009).
A equação 1 traz a fórmula da potência
P = $%ρAv)Cpƞ (1)
Onde= P: potência elétrica;
Ρ: densidade do ar, em kg/m3;
A: área do rotor;
V: velocidade do vento;
Cp: coeficiente aerodinâmico de potência do rotor;
Ƞ: eficiência do conjunto gerador/transmissão.
Em relação a potência mecânica extraída do vento é obtida por:
P- = $%ρπr%𝐶1(λ, β)𝜈8) (2)
Sendo r o raio das pás da turbina eólica, p a densidade atmosférica, 𝜈8 a
velocidade do vento, λ a relação da velocidade na ponta das pás estabelecido por:
P-𝜆 = 𝑟 8;<8 (3)
16
Na qual wt é a velocidade da turbina e 𝐶1(λ, β) é o coeficiente de potência que
representa o perfil aerodinâmico da turbina eólica (BERNARDES, 2009).
As turbinas ou aerogeradores possuem diversas características, dentre elas
pode-se citar a posição do eixo de rotação, ou seja, as turbinas podem ser
classificadas conforme o seu eixo, podendo ser de classificada como de eixo
horizontal ou de eixo vertical (MARTINELLO, 2015).
As turbinas de eixo horizontal se configuram pelo fato do rotor terem o mesmo
sentido do vento e o eixo de rotação paralelo ao solo. Geralmente possuem três pás,
como ilustrado na Figura 1 (ARAUJO, 2016).
Figura 1 - Gerador de eixo horizontal
Fonte: Araujo (2016)
Ressalta-se que é possível classificar as turbinas de eixo horizontal pelo
posicionamento das pás na torre: upwind em que o vento passa pela frente das pás
das turbinas e downwind que ele passa por trás, como se ver na Figura 2
(MARTINELLO, 2015).
17
Figura 2 - Classificação das pás
Fonte: Araujo (2016)
Em relação as turbinas de eixo vertical, possuem como característica o eixo de
rotação perpendicular em relação ao solo e ao sentido em que o vento se move. Neste
tipo de turbina, como visto na Figura 3, é possível a captação dos ventos em qualquer
direcionamento, possibilitando a sua instalação mais perto do solo (ARAUJO, 2016).
Figura 3 - Gerador de eixo vertical
Fonte: Araujo (2016)
Além disso, as turbinas podem ser classificadas quanto ao seu número de pás,
que está relacionada a velocidade de rotação de seu eixo. Geralmente as turbinas
18
eólicas para geração de eletricidade são construídas com três pás. Em relação a sua
potência nominal, as turbinas eólicas podem ser classificadas como: pequeno porte
(potência nominal inferior a 100kW), médio porte (potência nominal entre 100 e
1000kW;), grande porte (potência nominal maior que 1000kW) (MARTINELLO, 2015).
A torre é a base de posicionamento dos rotores que proporcionam a eles uma
adequada altura. No mercado faz-se uso maior de torre metálica, porque ela propicia
a instalação dos geradores em alturas maiores ao solo, o que acarreta maior
aproveitamento da energia do vento (FERREIRA, 2015).
O nacele consiste no envoltório formado sobre a torre que comporta a caixa de
engrenagens, o gerador e o sistema de controle. Em relação as pás, estas realizam a
interação com o vento e transformam a energia cinética em mecânica, enquanto a
transformação de energia cinética em energia elétrica ocorre por meio dos
equipamentos de conversão (MENDONÇA, 2014).
Desse modo, os aerogeradores captam a energia dos ventos e transformam
em energia elétrica por meio de três componentes principais: torre, nacele e o rotor,
como apresentado na Figura 4 (MENDONÇA, 2014).
Figura 4 - Principais partes de uma turbina
Fonte: Mendonça (2014)
Basicamente, o processo de conversão ocorre do seguinte modo: a força do
vento entra em contato do vento com as pás do aerogerador, fazendo-as girar,
acionando o rotor do aerogerador, produzindo assim a eletricidade que é enviada por
cabos que estão no interior da torre e que fazem conexão com uma rede de energia
(ANEEL, 2008). Na Figura 5 pode-se ver como ocorre o processo de conversão e os
componentes presentes neste processo.
19
Figura 5 - Representação do sistema de conversão de energia
Fonte: Mendonça (2014)
Como pode se observar na ilustração anterior (Figura 5), próximo ao operador
elétrico, ou melhor, próximo ao cubo do rotor da turbina, tem-se instalado o
anemômetro, que consiste em um instrumento de medição do vento, ou seja, ele
mensura a velocidade do vento (MENDONÇA, 2014).
Os aerogeradores existentes no mercado podem ser classificados em dois
grupos básicos. Um dos grupos é formado por aerogeradores que atuam com
velocidade de rotação praticamente constante, isto é, o gerador utiliza a filosófica
“Dinamarquesa”. Sendo assim, o gerador é diretamente conectado à rede elétrica
usando somente um sof-starter, para delimitar a corrente no decorrer do processo de
conexão. No outro grupo, os aerogeradores, atuam com velocidade de rotação
variável, ou seja, seus rotores giram em alguma velocidade entre a faixa admitida. Isto
é viável graças a inserção de conversores eletrônicos de potência para a junção do
gerador elétrico com a rede elétrica, aumentando o rendimento na conversão da
energia dos ventos (PAVINATTO, 2005).
Cada aerogerador, dispõe de um sistema de controle principal que monitora,
otimiza e protege o mesmo de procedimentos indevidos. Este sistema de controle
fiscaliza as principais grandezas mecânicas e elétricas da máquina. Nele estão
contidas as instalações de proteção individual para cada gerador, como por exemplo,
um para raios, protetores para sobre corrente e curto circuito, sub e sobre tensão, sub
e sobre frequência. Neste sistema de controle também se pode encontrar capacitores
20
para equilibrar a energia reativa ou o sistema de transformação de potência.
Independente do tipo de aerogerador é preciso necessariamente de um sistema de
controle para que sua operação seja realizada de forma correta e estável
(PAVINATTO, 2005).
Ressalta-se, que a quantidade de energia mecânica transferida e,
consequentemente, o potencial de energia elétrica a ser produzida está relacionada à
densidade do ar, à área coberta pela rotação das pás e à velocidade do vento.
Contudo, para a instalação de parques eólicos ou de qualquer que seja a geração de
energia eólica, é indispensável a análise observação de condições naturais
específicas e favoráveis de determinada região, visando o melhor aproveitamento
desse recurso ANEEL, 2008).
21
4. AS FUNCIONALIDADES DE GERADORES EÓLICOS MODERNOS E AS FUTURAS TECNOLOGIAS
A construção de parques eólicos ganhou relevância nos anos de 1990, através
de significante avanço tecnológico, aparecimento expressivo de fabricantes de
componentes e um grande incentivo proveniente das preocupações ambientais, com
foco nas emissões de gases de efeito estufa e a necessidade de uma diversificação
da matriz energética (GIORGETTO, 2012).
Este movimento começou nos EUA seguido pela Europa que precisava investir
em energia eólica, motivados pelo aumento do custo da energia elétrica e para
diminuírem a dependência energética no sistema. A continuidade das políticas de
incentivos fez com que o mercado se concentrasse na Europa, tanto em termos de
instalações como de fabricantes de equipamentos (ILDEU; GUIMARÃES JR.;
RODRIGUES, 2014). No entanto, a partir dos anos 2000 o setor começou a se
diversificar com o surgimento de projetos na Ásia e de forma embrionária na África e
América Latina.
Desde então, toda uma cadeia de valor da indústria eólica, compreendida pelas
atividades para fornecimento dos materiais de construção; componentes e
subcomponentes, como pás, torres, gerador, rotor, dentre outros; transporte de
equipamentos; montagem do aerogerador; fornecimento de serviços de logística e
operações vem se desenvolvendo fortemente com consequente redução dos custos
de produção (ILDEU; GUIMARÃES JR.; RODRIGUES, 2014).
A maioria dos parques eólicos no mundo está instalada em terra (onshore),
porém devido à diminuição dos locais apropriados em terra para os empreendimentos
e pelo bom potencial de geração há vários projetos sendo instalados no mar (offshore).
No Brasil, por enquanto há apenas instalações onshore permitindo a participação de
diferentes fontes, por resolver os problemas de incertezas ao acesso às redes de
distribuição e por ter baixos custos transacionais, o que estimula o desenvolvimento
de novos setores (MARTINS, 2013).
Em 2016, a matriz elétrica brasileira apresentava uma capacidade eólica
instalada de 8,91 GW, sendo a participação dessa fonte na matriz de 6,3%. Os
parques instalados são fracionados em três categorias: aptos a operar, operando em
teste e operando comercialmente. Da capacidade instalada, cerca de 8 GW são
22
provenientes de parques eólicos que estão dispostos em operação, particularmente,
na região Nordeste, tendo como destaque os estados do Rio Grande do Norte, Bahia,
Ceará e Piauí. As principais regiões para o aproveitamento do recurso eólico são
Nordeste, Sudeste e Sul, que junto correspondem a cerca de 90% de todo o potencial
eólico brasileiro (RANGEL; BORGES; SANTOS, 2016).
Em 2019, os dados mostram que estas porcentagens aumentaram. De acordo
com a pesquisa fornecida pela ANEEL, em fevereiro de 2019, a energia eólica
representa 8,5% de toda matriz elétrica no Brasil. O ano de 2018 terminou com 14,71
GW, além disso, o país obteve a marca de 583 parques eólicos e mais de 7 mil
aerogeradores em 12 estados. O Estado que mais possui capacidade instala continua
sendo o Rio Grande do Norte, com 150 parques eólicos, seguido da Bahia com 135
parques, do Ceará com 80 e Rio Grande do Sul também com 80 parques eólicos
instalados (ANEEL, 2019).
Em relação ao gerador ou as turbinas de energia eólica, encontra-se no
mercado dois grupos de máquinas: síncronas ou assíncronas. Nos grupos eólicos
elétricos síncronos, o eixo da turbina eólica está conectado ao eixo de um gerador
síncrono trifásico, podendo ser com circuito de excitação autônomo no rotor ou ímãs
definitivos no rotor. Em suma, o gerador síncrono funciona através de uma corrente
contínua, a qual é aplicada no enrolamento de campo que fica no rotor. Com o
movimento de rotação, o fluxo vai girando e produzindo tensões trifásicas no
enrolamento da armadura, assim, no rotor de um gerador síncrono existem eletroímãs
organizados em polos (RÜNCOS et al, 2014).
Nos grupos eólicos elétricos assíncronos ou máquinas de indução, o eixo da
turbina eólica está conectado ao eixo de um gerador assíncrono trifásico, que pode
ser com rotor de gaiola ou rotor bobinado, que necessitam de um ampliador de
velocidade conectado na turbina (RÜNCOS et al, 2014).
Dentre estes dois grupos eólicos-elétrico utilizados, existem outros diversos
geradores de conversão eletromecânica da energia cinética dos ventos. Conforme
apontam Rüncos et al (2014), pode-se ainda classificar os geradores em: aqueles
ligados diretos na rede elétrica operando com velocidade fixa ou então aqueles que
estão ligados por meio de um conversor; ambos podem ser configurados tanto pelo
grupo de máquinas síncronas (gerador síncrono com excitação independente) como
também de assíncronas (gerador assíncrono de gaiola). Existem também o gerador
23
Assíncrono Trifásico de Rotor Bobinado Duplamente Alimentado com Escovas
[GATDACE] e o gerador assíncrono trifásico duplamente alimentado sem escovas
[GATDASE].
Os autores Rüncos et al (2014) mostram que a tecnologia de fabricação das
turbinas eólicas evoluiu e aumentou a sua capacidade e eficiência na captação da
energia eólica. Concomitantemente a esta evolução, surgiram, novos métodos que
controlam a velocidade e torque da turbina e do gerador, que diminuem o custo de
quilowatt. Dentre estas tecnologias, os autores destacam o gerador assíncrono
trifásico duplamente alimentado sem escovas [GATDASE], principalmente por não
fazer uso de escovas, visto que o uso de escovas possui desvantagens, dentre elas,
cita-se o fato delas exigirem várias inspeções e possuírem muitos desgastes.
Ainda em relação a tecnologia dos aerogeradores, Guimaraes e Neto (2015)
afirmam que os fabricantes, em sua maioria, escolhem pelo menor custo, robustez,
simplicidade e manutenção da máquina de indução. Resumidamente, a Figura 6
ilustra como a tecnologia das turbinas eólicas pode ser encontrada no mercado, de
acordo com a transmissão, máquina, rotor, estator e conexão à rede.
Figura 6 - Tecnologias das turbinas eólicas
Fonte: Guimaraes e Neto (2015)
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Uma das tecnologias desenvolvidas pelos fabricantes de grandes turbinas
eólicas são as turbinas modernas, com pás que possuem alcance muito maior e que
são capazes de girar mais rapidamente ou mais devagar para se ajustarem às
constantes mudanças dos ventos. Destaca-se que na Espanha foram criadas as
primeiras turbinas eólicas ou aerogeradores sem pás no lugar do rotor, o principal
benefício deste tipo de turbina é que evitaria acidentes com pássaros, mas esta
tecnologia ainda está em desenvolvimento (REIS, 2018).
Nos parques eólicos, qualquer que seja a potência instalada ou área ocupada,
é necessário instalar dentro da área do parque, uma estação para medição e registro
de dados anemométricos e climatológicos, devendo receber manutenção preventiva
anual, e corretiva sempre que houver necessidade (MME, 2014).
A estação de medição precisa conter, além do registrador de medições (“data
logger”), pelo menos os seguintes medidores: três anemômetros de concha; dois
medidores de direção dos ventos (“wind vanes”); um medidor de umidade do ar; um
medidor de pressão barométrica; e um termômetro. Os quesitos de instalação,
manutenção precisam, necessariamente, estar de acordo com as recomendações das
Normas e publicações da IEA - International Energy Agency (IEA); International
Electrotechnical Comission (IEC); MEASNET; Ministério da Defesa - Comando da
Aeronáutica (MME, 2014).
Precisa ser observado que os equipamentos de medição seguem regras de
distribuição, em relação ao tamanho dos anemômetros, assim como a distância entre
eles e a altura do eixo das turbinas em relação ao solo. Estas características podem
ser melhor visualizadas na Figura 7 (MME, 2014).
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Figura 7 - Instrumentos de medição da torre
Fonte: MME (2014)
Em projetos de pequeno porte, como em instalação de energia eólica
doméstica, os sistemas eólicos são instalados mais próximos do solo. Antes da
instalação do sistema deve-se analisar primariamente o terreno para depois definir a
localização ideal para instalar o sistema. Em relação a escolha do aerogerador, isso
vai depender da velocidade mínima de vento para funcionamento do microgerador
eólico. Quanto a manutenção do sistema, este necessita de cuidados básicos, tais
como: monitorar a produção de energia (via inversor), para verificar e corrigir eventuais
falhas de forma rápida; monitorar o surgimento de algum ruído; verificar o estado das
pás do aerogerador (ASSIS, 2015).
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Segundo Assis (2015), os equipamentos acessórios indispensáveis na
instalação são o controlador do dispositivo que orienta o aerogerador, monitora e
controla a rotação e o sistema de freios, também realiza a comunicação com um
computador remoto; e o medidor bidirecional que é um instrumento registrador tanto
da energia elétrica consumida quanto da injetada na rede, instalado para o
faturamento no ponto de medição. Nesse sistema de monitoramento tem-se a
possibilidade de aplicar o smartgrid, que através da rede da internet, pode fazer o
controle de falhas da geração eólica, ter tarifas diferenciadas, automação residencial.
Em relação a geração de pequeno porte, cabe destacar que a ANEEL
promoveu a Resolução n°482 que cria o Sistema de Compensação de Energia, o qual
permite ao consumidor instalar pequenos geradores em sua unidade consumidora e
trocar energia com a distribuidora local (ANEEL, 2012).
No que concerne a tecnologia de aerogeradores, Assis (2015) aponta que o
sistema Air Breeze 40 importado pela Energia Pura, consiste em um dos últimos da
geração das turbinas AIR e é a turbina eólica mais popular do mundo, tendo como
principal característica o fato de ser mais silencioso, mais eficiente e ter sido
desenvolvido para fornecer mais energia com menores velocidades de ventos.
Ressalta-se que essa geração faz parte do sistema Off Grid (sistemas isolados ou
autônomos para geração de energia) e serve, portanto, para microgeração de energia
eólica.
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5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O objetivo principal deste trabalho foi compreender o processamento da
energia eólica. Para alcançar este objetivo foi realizado alguns passos, o primeiro
deles foi descrever os tipos de energias renováveis, depois o funcionamento e os
componentes da energia eólica, por último, as funcionalidades dos geradores eólicos
modernos e as futuras tecnologias.
Pode-se afirmar que esta pesquisa conseguiu alcançar o objetivo pretendido,
visto que todas os passos foram cumpridos, constatando que o cenário eólico no Brasil
tem crescido. Nos projetos de pequeno porte destaca-se o net-metering, que é um
mecanismo de compensação, o qual permite que consumidores possam produzir
energia em suas próprias edificações e injetar o excedente gerado na rede de
distribuição. Enquanto nos projetos de grande porte, destacam-se os parques eólicos,
que tem se expandido no cenário energético brasileiro.
Para estudos futuros, sugere-se estudar projetos de proteção as plantas de
energia eólica, tais como ajustes de relés de proteção de aerogeradores e sistemas
de controle de aerogeradores, uma vez que este tipo de fonte de energia está se
disseminando é importante que a proteção deste sistema também esteja sendo
adequada e amplamente conhecida.
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REFERÊNCIAS
ABREU, Mônica Cavalcanti Sá de et al. Fatores determinantes para o avanço da energia eólica no estado do Ceará frente aos desafios das mudanças climáticas. Revista Eletrônica de Administração, Porto Alegre, v. 20, n. 2, p. 274-304, ago. 2014.
ANEEL. Nota técnica de 2005. Brasília: ANEEL, 2005. ANEEL. Nota técnica de 2008. Brasília: ANEEL, 2008. ANEEL. Resolução Normativa n°482. Brasília: ANEEL, 2012. AQUILA, Giancarlo. Análise do impacto dos programas de incentivos para viabilizar economicamente o uso de fontes de energia renovável. 2015. 152 f. Dissertação Mestrado. Universidade Federal de Itajubá. Itajubá, 2015. ARAUJO, S. R. N. Microgeração eólica conectada à rede elétrica para uso residencial. Trabalho de Conclusão de Curso. Federal do Ceará. Fortaleza, 2016. ASSIS, A. de. A energia eólica para o consumo residencial. Trabalho de Conclusão de Curso. Universidade Federal do Paraná. Curitiba, 2015. BERNARDES, A. T.: Análise e Controle de gerador Síncrono a Imã Permanente Aplicado a Sistema de Conversão de Energia Eólica. Universidade Federal de Santa Maria. Santa Maria, 2009. BRAGATO, C. G. Geração energética e processos tecnológicos sustentáveis: impasses e alternativas para o Brasil. Dissertação (Mestrado em Economia) – Programa de Pós-Graduação em Economia, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2002.
BRASIL. Decreto nº 5.163, de 30 de julho de 2004. Regulamenta a comercialização de energia elétrica, o processo de outorga de concessões e de autorizações de geração de energia elétrica, e dá outras providências. Decreto Nº 5.163, de 30 de julho de 2004. Brasília, DF, 30 jul., 2004. FERREIRA, F.B. Dimensionamento de um sistema de geração de energia elétrica integrado com energia solar e eólica utilizando o software Retsrcreen. Trabalho de conclusão de curso. Universidade Federal do Pampa. Alegrete, 2015. FREITAS, G. M. de. Biomassa, uma fonte de energia. Trabalho de Conclusão de Curso. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2016. GIORGETTO, Tiago Martinez. Decisão de investimento entre pequenas centrais hidrelétricas e usinas eólicas: aplicação da teoria de opções reais. Dissertação Mestrado. São Paulo, 2012.
29
GOLDEMBERG, José. Energia e desenvolvimento sustentável. São Paulo: Blucher, 2012.
GUIMARAES, A.C.; NETO, P.B. A geração eólica e os desafios para a operação do sistema elétrico brasileiro. In: EDAO – Encontro para Debates de Assuntos de Operação. São Paulo, 2015. ILDEU, Vitor Alexandre Caixeta; GUIMARÃES JR, Sebastião Camargo; RODRIGUES, Kleiber David; DE PAULA, Aidson Antônio. Estudo de viabilidade econômica da construção de um parque eólico na região do triângulo mineiro e alto Paranaíba. Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica. XXII CEEL, 2014.
MARTINELLO, D. Sistema de emulação de aerogeradores para aplicação em geração distribuída de energia elétrica. Dissertação de Mestrado. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2015. MARTINS, A. S. Project Finance Aplicado ao Setor de Geração de Energia Elétrica Brasileiro – Fontes Alternativas: Análise dos Riscos e Mitigadores em Projetos de Energia Eólica. 2013. 161 f. Dissertação mestrado. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2013.
MENDONÇA, R.R. Energia Eólica: uma tendência nacional. Trabalho de Conclusão de Curso. Universidade Estadual da Paraíba. Campina Grande, 2014. MME – MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Leilões de Energia: Instruções para as medições anemométricas e climatológicas em parques eólicos. EPE: Rio de Janeiro, 2014. MOTTA, W.H. Ciclo de Vida do Produto e a Geração de Ecoinovações: desafios para o Brasil. Tese de Doutorado. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, 2016.
PACHECO, F. Energias Renováveis: breves conceitos. Conjuntura Econômica, Salvador, n. 149, 2012.
PAVINATTO, E. F. Ferramenta para auxílio a análise de viabilidade técnica da conexão de parques eólicos a rede elétrica. Dissertação de mestrado. Programa de Engenharia Elétrica. COPPE/UFRJ. Rio de Janeiro, 2005. PEREIRA, F. C. et al. Energia Eólica. Evolução Energética – Eixo Horizontal 2015. Disponível em: <https://evolucaoenergiaeolica.wordpress.com/equipe>. Acesso em: 12 abril. 2019. PRADO, T. G. F. Políticas e Programas de Desenvolvimento Energético com Foco em Energias Renováveis no Brasil: do Planejamento Setorial de Infraestrutura em Energia as Perspectivas de Mudanças Globais para o Acesso e Uso de Recursos Energéticos. Tese de Doutorado. Universidade de Brasília. Distrito Federal, 2014.
30
RANGEL, M.S.; BORGES, P.B.; SANTOS, I.F. dos. Análise comparativa de custos e tarifas de energias renováveis no Brasil. Revista brasileira de energia renováveis, v.5, n.3, p.267-277, 2016. REIS, P. Tecnologias de aerogeradores. Portal Energia, 2018. Disponível em: www.portal-energia.com/ Acesso em 20 de abril de 2019. RÜNCOS, F. et al. Geração de Energia Eólica – Tecnologias Atuais e Futuras. Revista GRUCAD UFSC, Florianópolis, 2014. STEFANELLO, C.; MARANGONI, F.; ZEFERINO, C.L. A Importância das Políticas Públicas para o Fomento da Energia Solar Fotovoltaica no Brasil. In: VII Congresso Brasileiro de Energia Solar. Gramado, 2018. TERCIOTE, R. Eficiência energética de um sistema eólico isolado. Ano 4. Enc. Energ. Meio Rural, 2012. Disponível em: <http://www.proceedings.scielo.br/ scielo.php?script=sci_arttext&pid=MSC0000000022012000100056>. Acesso em: 12 abril. 2019.
TOLMASQUIM, Mauricio Tiomno. Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. Rio de Janeiro: Empresa de Pesquisa Energética (EPE), 2016.
VERMA, D.; MIDTGARD, O.M.; SATRE, T. O. Review of photovoltaic status in a European (EU) perspective. In: 37th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). p. 3292-3297, 2011.
VIANA, A. N.C. et al. Eficiência Energética: fundamentos e aplicações. Campinas: Elektro, 2012.
