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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAESCOLA POLITCNICA
CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
ESTUDO E AVALIAO DA OPERAO DE
UM SISTEMA DE GERAO ELICA
MAURCIO NUNES SANTANA
2009
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAESCOLA POLITCNICA
CURSO DE GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
MAURCIO NUNES SANTANA
ESTUDO E AVALIAO DA OPERAO DE
UM SISTEMA DE GERAO ELICA
Trabalho apresentado ao Curso de
Graduao em Engenharia Eltrica da
Universidade Federal da Bahia como
parte dos requisitos para obteno do
ttulo de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Caiuby Alves da Costa
SALVADOR
2009
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Estudo e avaliao da operao de um sistema de gerao elica
Maurcio Nunes Santanaiii
MAURCIO NUNES SANTANA
ESTUDO E AVALIAO DA OPERAO DE
UM SISTEMA DE GERAO ELICA
Este Trabalho de Graduao foi julgado adequado para a obteno do graude Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pela ComissoExaminadora e pelo Colegiado do Curso de Graduao em EngenhariaEltrica da Universidade Federal da Bahia.
_____________________________Cristiane Corra Paim
Coordenadora do Colegiado doCurso de Engenharia Eltrica
Comisso Examinadora
_____________________________Prof. Dr . Caiuby Alves da Costa (Orientador)
_____________________________Prof. Bernardo Gustavo Paez Ortega
_____________________________Prof. Francisco Lisboa
_____________________________Eng Antonio Bendocchi
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Maurcio Nunes Santanaiv
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus pela famlia, pela sade e pelo dom do aprendizado.
toda minha famlia, pelo incentivo, preocupao, confiana ao longo da
vida. Em especial a meus pais, pelas oportunidades oferecidas por toda a vida, pela
compreenso, afeto e companheirismo.
Tia Ktia, pelo auxlio na formao e empenho em todas as ocasies.
Ao Prof. Dr. Caiuby Alves da Costa, pela orientao, apoio tcnico e
pacincia na soluo dos problemas ao longo do Trabalho.
Ao Eng. Antnio Bendocchi, pela pacincia, troca de informaes e
disponibilidade em prol do Trabalho.
Aos colegas da Ecoluz, pelo incentivo, ajuda e troca de informaes ao longo
deste perodo.
Ao colega Ramon Lago, pelo apoio durante a execuo do Trabalho.
Aos demais colegas e amigos da UFBA que ajudaram a enfrentar e superar
as dificuldades at o fim do Trabalho.
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Pior que no terminar uma viagem nunca partirAmyr Klink
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RESUMO
Este trabalho trata-se de um estudo de um sistema de energia elica de
pequeno porte, desde a sua instalao at a sua operao. Avalia-se o
dimensionamento do sistema, composto por um aerogerador de 1kW, um
controlador de carga, um banco de baterias de 24V e um inversor DC/AC, levando-
se em conta a carga a ser alimentada. feito ainda um estudo da viabilidade
econmica do sistema diante do potencial elico do local da instalao.
Palavras-Chave:
Energia elica, aerogerador de pequeno porte, gerao de energia
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LISTA DE SMBOLOS
Fc: Fora de Coriolis;
: velocidade angular da terra;
v: velocidade da partcula;
: latitude;
PH: gradiente de presso;
: massa especfica do ar;
P: diferena de presso sobre o volume de ar;
X: comprimento do volume de ar;
P: potncia disponvel no vento;
E: energia cintica do vento;
t: tempo;
: fluxo de massa de ar;V1: velocidade do vento;
A: rea da seo transversal;
Cp: coeficiente aerodinmico de potncia do rotor;
: rendimento do conjunto gerador/trnasmisses mecnicas e eltricas;
R: constante do ar;
Pa: presso atmosfrica;
T: temperatura ambiente;
z: altitude do local;
Q: vazo de ar que atravessa a turbina elica;
v: velocidade do vento livre, antes da turbina;
Ae: rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na entrada do rotor da turbina;
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ve : velocidade do vento na seo do tubo de vazo na entrada na turbina;
As rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na sada do rotor da turbina;
vs : velocidade do vento na seo do tubo de vazo na sada da turbina;vi : velocidade do vento registrada;
n: nmero de registros;
i: identificao do registro
f(v): funo densidade de probabilidade
Fa: fora de arraste aerodinmico;
Ca: coeficiente de arasto;
Fs : fora de sustentao aerodinmica;
Fc: fator de capacidade;
k: fator de forma;
c: fator de escala;
Lmd: indutncia de magnetizao equivalente no eixo d
Lmq: indutncia de magnetizao equivalente no eixo q
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
EPUFBA: Escola Politcnica da UFBA;
HP: Horse Power;
IVDN: Indice de vegetao por diferenas normalizadas ;
Rpm: Rotaes por minuto;
W: oeste;
S: sul;
E: leste;
N: norte;
RN: Rio Grande do Norte;K: Kelvin;
EAG: energia anual gerada;
DC: corrente contnua;
AC: corrente alternada;
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SUMRIO
CAPTULO 1 ....................................................................................................................................................... 11. INTRODUO ............................................................................................................................................ 1
1.1. Objetivos ............................................................................................................................................. 21.1.1. Objetivos especficos.................................................................................................................. 2
1.2. Justificativa........................................................................................................................................ 21.3. Metodologia ........................................................................................................................................ 3
CAPTULO 2 ....................................................................................................................................................... 42. ENERGIA ELICA .................................................................................................................................... 4
2.1. A evoluo e aplicabilidades ......................................................................................................... 42.1.1. Os Aerogeradores no sculo XX............................................................................................. 8
2.2. A energia elica no Brasil ............................................................................................................ 102.2.1. Potencial elico brasileiro....................................................................................................... 112.2.2. Potencial elico na Bahia....................................................................................................... 12
CAPTULO 3 ..................................................................................................................................................... 153. O VENTO.................................................................................................................................................... 15
3.1. Causas do vento ............................................................................................................................. 163.2. Fora de Coriolis............................................................................................................................. 173.3. Tipos de Vento................................................................................................................................. 183.3.1. Ventos globais........................................................................................................................... 183.3.2. Ventos de superfcie................................................................................................................. 203.3.3. Ventos Locais............................................................................................................................. 20
3.4. A potncia do vento ....................................................................................................................... 213.5. Fatores que influenciam a energia do vento.......................................................................... 233.5.1. A altitude e a temperatura ambiente.................................................................................. 233.5.2. A velocidade do vento............................................................................................................. 263.5.3. rea de varrimento do rotor................................................................................................... 27
3.6. Extrao da potncia do vento e Mximo de Betz ............................................................... 273.7. Armazenamento de energia......................................................................................................... 32
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CAPTULO 4 ..................................................................................................................................................... 324. O COMPORTAMENTO PROBABILSTICO DO VENTO ............................................................. 32
4.1. A velocidade do vento.................................................................................................................... 334.1.1. Distribuio de frequncia da velocidade do vento........................................................ 334.1.2. Funo densidade de probabilidade do vento................................................................. 35
CAPTULO 5 ..................................................................................................................................................... 375. TURBINAS ELICAS ............................................................................................................................. 37
5.1. Tipos de turbinas ........................................................................................................................... 375.1.1. Turbinas de arraste................................................................................................................. 375.1.2. Turbinas de sustentao........................................................................................................ 38
5.2. Orientao do eixo de turbinas elicas ................................................................................... 405.3. Nmero de ps em turbinas elicas ......................................................................................... 415.4. Controle de potncia e velocidade das turbinas elicas .................................................... 425.4.1. Controle por estol...................................................................................................................... 425.4.2. Controle de passo..................................................................................................................... 435.4.3. Controle por estol ativo........................................................................................................... 45
CAPTULO 6 ..................................................................................................................................................... 456. AEROGERADORES ................................................................................................................................ 45
6.1. O princpio da gerao elica ..................................................................................................... 466.2. Partes do aerogerador GERAR 246........................................................................................... 466.2.1. Ps/Captador Elico................................................................................................................ 466.2.2. Alternador................................................................................................................................... 476.2.3. Leme Direcionador.................................................................................................................... 476.2.4. Cabea Rotativa........................................................................................................................ 476.2.5. Controlador de Carga.............................................................................................................. 47
6.3. Caractersticas tcnicas do aerogerador GERAR 246 ........................................................ 506.4. O sistema de segurana do aerogerador................................................................................. 526.5. Aerogerador com gerador sncrono de ms permanentes ................................................ 536.5.1. Performance de um aerogerador.......................................................................................... 546.5.2. Fator de capacidade de um aerogerador........................................................................... 55
6.6. O sistema elico de gerao de energia de pequeno ........................................................... 56porte ................................................................................................................................................................. 566.6.1. As baterias................................................................................................................................. 576.6.2. O inversor de frequncia......................................................................................................... 58
CAPTULO 7 ..................................................................................................................................................... 60
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7. MONTAGEM DE UM AEROGERADOR ............................................................................................ 607.1. A Montagem do Gerar 246 e do quadro eltrico ................................................................... 60
CAPTULO 8 ..................................................................................................................................................... 658. DIMENSIONAMENTO............................................................................................................................ 659. ESTUDO DA VIABILIDADE ECONMICA ..................................................................................... 66TABELA 9.1 CUSTOS PARA CARREGAMENTO DE BATERIAS ................................................ 6910.CONCLUSO E DISCUSSO............................................................................................................... 69REFERNCIAS ................................................................................................................................................ 70
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Captulo 1
1.Introduo
O uso da energia imprescindvel para as necessidade da manuteno da
vida. A humanidade evoluiu de um consumo de cerca de 2000 Kcal/dia para um
consumo de cerca de 230.000 Kcal/dia. Se o consumo energtico continuar
evoluindo neste ritmo, os recursos finitos disponveis no planeta podero se exaurir.
Alm do consumo desenfreado de energia, a produo de energia a partir de
combustveis fsseis revela uma dependncia de recursos energticos no
renovveis. A estrutura da matriz da oferta de energia entre os anos de 1973 e 2002
pouco se alterou, mostrando uma forte predominncia de recursos no renovveis,
como o petrleo, o gs e outros.
Diante deste contexto, contudo, o Brasil encontra-se em posio favorvel,
possuindo 44,5% da sua oferta interna de energia oriunda de fontes renovveis. O
Brasil dispe de significativo potencial de energia renovvel, o que torna possvel
conseguir melhores condies de sustentabilidade na matriz energtica brasileira. Opotencial elico brasileiro, por exemplo, excluindo off-shore, de 143 GW.
Na Bahia, conforme o BEN 2007, a demanda de energia evoluiu de 8
milhes de TEP em 1980 para 9 milhes em 2006. Durante este perodo, apesar do
crescimento significativo da participao de energia hidreltrica, a participao da
energia renovvel declinou de 55,4% para 37,9%. Essa evoluo desfavorvel se
deve ao crescimento significativo da participao do petrleo e do gs natural, bem
como do declnio da participao da biomassa na matriz energtica baiana.[16]
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Estes dados revelam que em relao participao de energia renovvel a
evoluo da matriz energtica baiana se mostra mais desfavorvel que a matriz
energtica brasileira. A Bahia possui ainda potencial para gerao de 14.500 MW de
energia elica. As possibilidades de participao de fontes renovveis na matrizenergtica so promissoras em curto e mdio prazo. [16]
1.1. ObjetivosEste trabalho tem como objetivo o estudo da implantao de um sistema
elico de pequeno porte, desde sua instalao, at a sua operao.
Ser estudado o potencial da regio, o processo de montagem, o
funcionamento e o aproveitamento do aerogerador, desta forma analisar-se- a
gerao de energia eltrica atravs da fora do vento e o atendimento da carga que
ser escolhida.
1.1.1.Objetivos especficos
Os objetivos especficos deste trabalho so a difuso dos conceitos inerentes
ao projeto de sistema elico de pequeno porte, uma melhor compreenso da
metodologia para a instalao de um aerogerador, anlise da gerao do sistema e
do consumo de energia, estudo da viabilidade da integrao do gerador rede
eltrica.
1.2. JustificativaA energia eltrica um insumo essencial vida humana. A gerao de
energia eltrica, desta forma, faz-se primordial para o atendimento das
necessidades da sociedade que cada vez mais depende de energia. O grande desafio
da humanidade hoje , contudo, buscar solues que causem menos impactos
ambientais possveis ao se gerar energia, uma vez que os padres atuais de
produo e consumo energticos baseiam-se em fontes fsseis, responsveis pelas
emisses de poluentes locais e gases de efeito estufa.
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A transformao dos padres atuais devem vir com o estmulo e
investimentos na utilizao de fontes renovveis de energia, as quais encontram no
Brasil, particularmente, condies favorveis em relao ao resto do mundo. A
matriz energtica brasileira formada atualmente por 45% de fontes renovveis,contra apenas 14% no mundo. Grande parte desta matriz energtica, deve-se
energia hidrulica, porm outras alternativas, como a energia elica e solar, devem
ser incentivadas a fim de compensar os meses de baixa produo hidreltrica,
compreendidos no chamado peroco seco (maio a novembro), quando os
reservatrios esto mais baixos devido reduo das chuvas.
1.3. MetodologiaSer realizada inicialmente uma reviso da literatura relacionada ao tema,
incluindo livros, artigos cientficos, manuais de instalao, a fim de arraigar
conceitos e conhecer a histria evolutiva da energia elica e suas aplicaes. Uma
visita a uma instalao semelhante dever ser feita para que j se possa
familiarizar-se com o tipo e o funcionamento do equipamento a ser estudado.
Aps esta fase, iniciar-se- a fase de acompanhamento da montagem do
aerogerador, e, tambm, dos ensaios no equipamento. Em seguida, sero feitas
medies no sistema e seu acompanhamento, conforme seja necessrio.
Sero feitas as devidas anlises das medies e de aplicaes do sistema
para se definir a carga que ser alimentada. Por fim, pretende-se fazer um estudo
da gerao e consumo do perodo das medies, uma anlise da possibilidade de
conexo do gerador rede eltrica e um estudo da aplicabilidade desse tipo de
sistema para alguns tipos de consumidores.
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Captulo 2
2.Energia ElicaA energia elica a energia cintica do ar em movimento. O vento
varia tanto em velocidade de escoamento como na direo do
deslocamento e para o seu aproveitamento energtico, precisa-se do
estudo do seu comportamento espacial e temporal. Neste captulo,
ser mostrada a evoluo das aplicaes da energia elica e os
potenciais elicos no Brasil e na Bahia.
2.1. A evoluo e aplicabilidadesO desenvolvimento das formas mais primitivas de moinho de vento veio com
a dificuldade encontrada pelo homem para realizar tarefas como a moagem dos
gros e o bombeamento de gua. Tais tarefas exigiam cada vez mais esforo braal emanual e, com o avano da agricultura, eram cada vez mais demandadas. O modelo
mais primitivo de moinho de vento foi utilizado, portanto, para beneficiamento de
produtos agrcolas e era composto por um eixo vertical acionado por uma longa
haste presa a ele. Esta haste era movida por homens ou animais que caminhavam
em crculos numa gaiola. Outra tecnologia existente e que tambm era utilizada
para beneficiamento da agricultura consistia em uma gaiola cilndrica conectada a
um eixo horizontal, dentro da qual era exercida a fora motriz por homens ou
animais que caminhavam.
Estes tipos de sistemas foram aperfeioados com a substituio da fora de
homens ou de animais pela fora motriz de cursos dgua, o que resultou no
surgimento das rodas dgua. Historicamente, o uso das rodas dgua precede a
utilizao dos moinhos de ventos devido a sua concepo mais simplista de
utilizao de cursos naturais de rios como fora motriz. Como no se dispunha de
rios em todos os lugares para o aproveitamento em rodas dgua, a percepo do
vento como fonte natural de energia possibilitou o surgimento de moinhos de ventos
substituindo a fora motriz humana ou animal nas atividades agrcolas. [5].
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Data-se de 200 A.C na Prsia o primeiro registro histrico da utilizao da
energia elica para bombeamento de gua e moagem de gros. Este tipo de moinho
de vento de eixo vertical difundiu-se pelo mundo islmico, tendo sido utilizado por
vrios sculos. Acredita-se que antes da inveno dos cata-ventos na Prsia, aChina (por volta de 2000 A.C.) e o Imprio Babilnico (por volta 1700 A.C) tambm
utilizavam cata-ventos rsticos para irrigao [5]).
Os cata-ventos primitivos apresentavam vantagens importantes para o
desenvolvimento das necessidades bsicas de bombeamento dgua ou moagem de
gros, mesmo possuindo baixa eficincia devido a suas caractersticas
rudimentares.
Pouco se sabe sobre o desenvolvimento e uso dos cata-ventos primitivos daChina e Oriente Mdio como tambm dos cata-ventos surgidos no Mediterrneo.
Um importante desenvolvimento da tecnologia primitiva foram os primeiros modelos
a utilizarem velas de sustentao em eixo horizontal encontrados nas ilhas gregas
do Mediterrneo. [5]
A introduo dos cata-ventos na Europa deu-se, principalmente, no retorno
das Cruzadas h 900 anos. Os cata-ventos foram largamente utilizados e seu
desenvolvimento bem documentado. As mquinas primitivas persistiram at o
sculo XII quando comearam a ser utilizados moinhos de eixo horizontal na
Inglaterra, Frana e Holanda, entre outros pases. Os moinhos de vento de eixo
horizontal do tipo holands foram rapidamente disseminados em vrios pases da
Europa. Durante a Idade Mdia, na Europa, a maioria das leis feudais inclua o
direito de recusar a permisso construo de moinhos de vento pelos
camponeses, o que os obrigava a usar os moinhos dos senhores feudais para a
moagem dos seus gros. [5]
Dentro das leis de concesso de moinhos tambm se estabeleceram leis que
proibiam a plantao de rvores prximas ao moinho assegurando, assim, o direito
ao vento. Os moinhos de vento na Europa tiveram, sem dvida, uma forte e
decisiva influncia na economia agrcola por vrios sculos. Com o desenvolvimento
tecnolgico das ps, sistema de controle, eixos etc, o uso dos moinhos de vento
propiciou a otimizao de vrias atividades utilizando-se a fora motriz do vento. [5]
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Figura 1. Principais marcos do desenvolvimento da energia elica entre os sculos XI e XIX[5]
O uso de moinhos de vento em larga escala esteve intimamente ligado com
a drenagem de terras cobertas pelas guas na Holanda entre os sculos XVII e XIX.
A rea de Beemster Polder, que ficava trs metros abaixo do nvel do mar, foi
drenada, entre os anos de 1608 e 1612, por 26 moinhos de vento de at 50 HP.
Posteriormente, a regio de Schermer Polder tambm foi drenada por 36 moinhos
de vento a uma vazo total de 1.000 m/min durante 4 anos.
Os moinhos de vento na Holanda tiveram uma grande variedade de
aplicaes. O primeiro moinho de vento utilizado para a produo de leos vegetais
foi construdo em 1582. Com o surgimento da imprensa e o rpido crescimento da
demanda por papel, foi construdo, em 1586, o primeiro moinho de vento para
fabricao de papel. Ao fim do sculo XVI, surgiram moinhos de vento para acionar
serrarias para processar madeiras provenientes do Mar Bltico. Em meados do
sculo XIX, aproximadamente 9.000 moinhos de vento existiam em pleno
funcionamento na Holanda. O nmero de moinhos de vento na Europa nesse
perodo mostra a importncia do seu uso em diversos pases como a Blgica (3.000
moinhos de vento), Inglaterra (10.000 moinhos de vento) e Frana (650 moinhos de
vento na regio de Anjou) [5].
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Figura 2.2Moinho de vento da Holanda
Um marco importante para a energia elica na Europa foi a Revoluo
Industrial no final do sculo XIX. Neste perodo, deu-se incio o declnio do uso da
energia elica na Holanda com o surgimento da mquina a vapor. No incio do
sculo XX, havia apenas 2.500 moinhos de vento em funcionamento, sendoreduzidos para menos de 1.000 no ano de 1960. Criou-se, ento, em 1923, uma
sociedade holandesa para conservao, melhoria do desempenho e utilizao mais
efetiva dos moinhos holandeses, j que havia grande preocupao com a extino
dos moinhos de vento devido ao advento da Revoluo Industrial.
A utilizao de cata-ventos de mltiplas ps destinados ao bombeamento
dgua desenvolveu-se de forma efetiva, em diversos pases, principalmente nas
suas reas rurais. Acredita-se que, desde a segunda metade do sculo XIX, mais de
6 milhes de cata-ventos j teriam sido fabricados e instalados somente nos
Estados Unidos para o bombeamento dgua em sedes de fazendas isoladas e para
abastecimento de bebedouros para o gado em pastagens extensas. Os cata-ventos
de mltiplas ps foram usados tambm em outras regies como a Austrlia, Rssia,
frica e Amrica Latina. O sistema se adaptou muito bem s condies rurais tendo
em vista suas caractersticas de fcil operao e manuteno. Toda a estrutura era
feita de metal e o sistema de bombeamento era feito por meio de bombas e pistes,
favorecidos pelo alto torque fornecido pela grande nmero de ps. At hoje essesistema largamente usado em vrias partes do mundo para bombeamento dgua.
[5].
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A Segunda Guerra Mundial (1939-1945) foi tambm um grande marco para
o desenvolvimento dos aerogeradores de mdio e grande porte, pois os pases em
geral, nesta poca, visavam economia de combustveis fsseis. Aps a guerra, os
combustveis fsseis, contudo, voltaram a predominar mundialmente. Elesenfrentavam agora a concorrncia das grandes usinas hidreltricas, que se
tornaram bastante competitivas economicamente e os aerogeradores passavam a
ser construdos, em grande parte, para fins de pesquisa, visando aprimoramento
das tcnicas aeronuticas, no desenvolvimento de ps e aperfeioamentos nos
sistemas de gerao.
Pases como Inglaterra, Dinamarca, Frana e Alemanha realizaram grandes
estudos e experimentos nesse perodo e foram pioneiros no desenvolvimento dealguns tipos de aerogeradores. Na Inglaterra, por exemplo, desenvolveu-se um raro
modelo de aerogerador de 100kW com ps ocas e com a turbina e o gerador na base
da torre. A Dinamarca apresentou um dos crescimentos na gerao de energia
elica mais significativos na Europa, o que ainda notado at hoje, sendo que 20%
da energia produzida no pas advm da fora dos ventos. Com o sucesso da
produo de aerogeradores de pequeno porte, na faixa de 45kW na Dinamarca,
Johannes Juul ousou no projeto de um aerogerador de 200kW com 24m de
dimetro de rotor, instalado nos anos de 1956 e 1957 na ilha de Gedser. A Franaempenhou-se nas pesquisas de aerogeradores conectados rede eltrica e tambm
foi responsvel por diversos aerogeradores de grande porte, como um equipamento
que operava com potncia de 1.085kW a vento de 16,5m/s, apresentava trs ps
com um rotor de 35m. Alm da robustez, estes aerogeradores provavam a
possibilidade da sua inteligao rede de distribuio eltrica. Na Alemanha, foi
construdo um aerogerador que operou com o maior nmero de inovaes
tecnolgicas na poca. O aerogerador de 34m de dimetro operava com potncia de
100kW, a ventos de 8m/s. Possua rotor leve em materias compostos, duas ps a
jusante da torre, sistema de orientao amortecida por rotores laterais e torre de
tubos estaida. Ele operou por mais de 4.000 horas entre 1957 e 1968 e teve
problemas de fadiga atenuados devido composio das ps. Quando o modelo foi
desmontado em 1968 por falta de verbo para prosseguimento do projeto, verificou-
se que suas ps ainda apresentavam perfeitas condies de uso.
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Figura 2.3Marcos no desenvolvimento da energia energia elica no sculo XX [5]
2.2. A energia elica no BrasilA utilizao da energia elica no Brasil atualmente voltada
majoritariamente para a gerao de energia eltrica para bombeamento de gua,
aquecimento de ambientes, operao de mquinas e equipamentos diversos,
moagem de gros, usos domsticos ou de pequenas empresas, etc.
Embora a utilizao de recursos elicos tenha sido historicamente
destinada movimentao de cata-ventos para o bombeamento de gua, estudos
recentes indicam um potencial elico ainda no explorado de 143 GW (CEPEL,
2005). O Brasil possui atualmente potncia instalada de 547 MW, o que no chega
a 1% da capacidade instalada mundial, que de aproximadamente 121.000 MW.
Apesar da nfima contribuio, quando comparado ao cenrio mundial, o pas temapresentado um crescimento significativo, passando de aproximadamente 30 MW
em 2004 para os atuais 547 MW. O prximo leilo de energia elica, marcado para
14 de Dezembro de 2009, ir determinar se este crescimento vai se manter.
No Brasil as reas de maior potencial elico so o litoral do Nordeste e a
Chapada Diamantina na Bahia. Alm dessas localidades, algumas regies de Minas,
do Paran, Rio Grande do Sul e do nordeste do Rio de Janeiro tambm possuem
potencial elico. O Nordeste, regio de maior capacidade de aproveitamento elico,possui um potencial elico estimado de 75 GW o que corresponde a uma
capacidade de gerao de 144,3 TWh. [2] [5]
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2.2.1.Potencial elico brasileiro
A distribuio dos ventos sobre o Brasil controlada pelos aspectos da
circulao geral planetria de atmosfera prxima, conforme a figura abaixo. [2]
Os sistemas de alta presso Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul e do
Atlntico Norte e a faixa de baixas presses da Depresso Equatorial so os que
influenciam mais.
De oeste a leste do Norte do Brasil e sobre o oceano Atlntico adjacente,
estende-se a posio mdia da Depresso Equatorial. A localizao e orientao da
Bacia Amaznica coincidem com esta Depresso que geralmente uma zona de
pequenos gradientes de presso e ventos fracos. O perfil geral de circulao
atmosfrica induz ventos de leste ou nordeste sobre o territrio nacional ao norte da
Bacia Amaznica e no litoral do nordeste. Os ventos alsios de leste a sudeste
predominam entre a Depresso Equatorial e a latitude de 10 S. Ao sul desta
latitude at o extremo sul do Brasil, atual o centro de alta presso Anticiclone
Subtropical Atlntico, os deslocamentos de massa polares e a Depresso do
nordeste da Argentina.
Este perfil geral de circulao varia de acordo com a geometria, altitude de
terreno, vegetao e distribuio de superfcies de terra e gua. Tais fatores queatuam em escala menor podem alterar as condies de vento locais que se afastam
consideravelmente do perfil geral da larga escala da circulao atmosfrica.
A regio geogrfica em que est inserido o sistema elico a ser estudado a
Zona Litornea Nordeste Sudeste. Esta zona est compreendida entre o Cabo de
So Roque (RN) e o estado do Rio de Janeiro e tem aproximadamente 100km de
largura. As velocidades mdias anuais variam de 8-9 m/s na poro norte a uma
faixa de 3,56 m/s sobre grande parte da costa que se extende at o Sudeste. Nosul do Esprito Santo e nordeste do Rio de Janeiro, contudo, a velocidade dos
ventos atinge 7,5 m/s. Isso efeito do bloqueio de escoamento lestenordeste feito
pelas montanhas imediatamente a oeste da costa. Acontece, dessa forma, uma
acelerao por obstculo, j que o ar acelera-se para o sul para aliviar o acmulo de
massa causado pelo bloqueio das formaes montanhosas.
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2.2.2.Potencial elico na Bahia
A Bahia possui um potencial elico de 5,6 GW, ocupando uma rea de
2.798 km, o que possibilita uma gerao anual estimada de 12,32 TWh/ano para
ventos com velocidade mdia anual de 7 m/s a uma altura de cinquenta metros.
Para uma altura de setenta metros, o potencial elico eleva-se para 14,46 GW,
ocupando uma rea de 7.231 km, o que possibilita uma gerao anual de 31,9
TWh/ano para ventos com velocideade mpedia anual de 7 m/s. [16]
2.2.2.1. Aspectos geofsicos do estado da BahiaA Bahia ocupa a regio mais meridional do nordeste do Brasil. No estado
vivem mais de 14 milhes de pessoas distribudas numa rea de 567.692,669 km,
a 5 maior extenso territorial entre os estados brasileiros de acordo com o IBGE
2005. O territrio baiano se situa entre as latitudes 18 2007S e 83200S, e
entre as longitudes 4636 59W e 37 20 37W.
A Bahia se situa na regio de transio de regimes de ventos distintos. Mais
ao norte circulam os ventos alsios que convergem para a Depresso Equatorial e
mais ao sul predomina a dinmica da interao entre o centro de altas presses
Anticiclone Subtropical do Atlntico Sul e as incurses de massas polares. [3]
A faixa atlntica da Bahia possui uma rea extensa, sem grandes elevaes
e aerodinamicamente rugosa pela densa cobertura vegetal. Na parte central do
estado, surgem chapades de orientao norte-sul, com grandes elevaes e onde
ocorrem algumas reas importantes de baixa rugosidade. Das chapadas at o vale
do Rio So Francisco, o relevo desce e sobe suavemente, em seguida, para o
extremo oeste, onde h uma extensa rea plana com altitudes prximas a 1000m,
recoberta por agricultura intensiva e pouco rugosa. [3]
Ao longo da extenso litornea da Bahia, o relevo no constitui obstculo progresso dos ventos e brisas marinhas, pois predominam altitudes inferiores
centena de metros e em raros locais a altitude ultrapassa 300m. No entanto, ao
longo de uma ampla faixa junto costa, predomina uma vegetao adensada e
relativamente alta floresta tropical pluvial e vegetao secundria, cuja
rugosidade reduz a intensidade dos ventos mdios de superfcie. [3]
A figura abaixo apresenta a sazonalidade dos ndices de precipitao,
temperatura mdia e ndice de vegetao por diferenas normalizadas (IVDN). Os
dados de precipitao e temperaturas mdias so oriundos de sries climatolgicas
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de 60 anos, enquanto os ndices de vegetao se referem ao perodo entre 1985 e
1988. [3]
Figura 2.4 - Sazonalidade dos ndices de precipitao, temperatura mdia e ndices devegetao
importante ressaltar a distribuio pluviomtrica homognea ao longo do
ano para a faixa atlntica da Bahia, principalmente na parte sul, o que resulta
tambm em ndices de vegetao mais estveis nesta regio. Esta regio apresenta
os maiores ndices pluviomtricos do Estado, superiores a 1.200 mm anuais. [3]
A distribuio das temperaturas mdias apresentam, naturalmente,
correlao com o relevo, mas so dominadas por outros fatores regionais. As
temperaturas mais elevadas da Bahia se encontram no vale do Rio So Francisco,
regio de menor altitude e ao abrigo dos chapades centrais. [3]
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2.2.2.2.
Regime de ventos na BahiaOs regimes de ventos resultam da sobreposio de mecanismos
atmosfricos sinticos e de mesoescala, globais e regionais, respectivamente.
Quanto aos regimes globais, a Bahia se encontra na latitude de transio entre dois
mecanismos importantes: ao Sul, o Anticiclone Subtropical do Atlntico influencia
predominantemente perturbado pela dinmica das ondas de massa polares que
intermitente. Ao norte, os ventos alsios exercem uma maior influncia de forma
mais constante. Estas dinmicas convergem quanto direo, predominante entre
Nordeste e Sudeste, como mostrado abaixo.
Figura 2.5 - Principais mecanismos sinticos de influncia nos regimes de vento na Bahia
O territrio da Bahia, por ser extenso, alterna diferentes mecanismos
regionais, especialmente brisas marinhas/terrestres e brisas montanha/vale. Estas
brisas, com ciclos tipicamente diurnos, so perceptveis nas velocidades e direes
de vento. O Estado da Bahia apresenta ventos mximos no segundo semestre, nas
estaes do inverno e primavera como pode-se ver a seguir na figura.
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Figura 2.6 - Potencial elico sazonal [3]
Captulo 3
3.O VentoO vento o ar em movimento, provocado pelo aquecimento desigual da
terra. Neste captulo sero mostrados os tipos de vento, a potncia do vento,
fatores que influenciam a energia elica e formas de armazenamento.
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3.1. Causas do ventoO vento a principal caracterstica da movimentao das massas de ar
existentes na atmosfera e o seu surgimento est diretamente relacionado svariaes das presses de ar. Estas variaes so originadas termicamente atravs
da radiao solar e das fases de aquecimento das massas de ar.
Nos locais mais quentes, o ar dilata-se, ficando mais leve e rarefeito, e sobe
resultando numa queda de presso atmosfrica no local. J nos locais mais frios, o
ar se condensa ficando mais pesado, com maior presso, tendendo a escapar para
as reas mais vazias, como os locais mais quentes, dando origem aos
deslocamentos na forma de ventos.
Em torno de 1 a 2% da energia solar convertida em energia dos ventos.
As regies onde esse tipo de converso de energia inicia-se so nas regies
existentes na linha do Equador, onde a latitude 0 e ocorre um maior
aquecimento nas massas de ar e posteriormente estendida para as regies norte e
sul do planeta. [1]
O sol aquece a superfcie da terra de forma desigual, provocando os fluxos
de vento. O sol tem uma temperatura na superfcies em torno de 5.600 K e fornece
energia em forma de radiao. A energia recebida pela terra em torno de 1,39
kW/m.
Os gases da atmosfera so quase transparentes para os comprimentos da
onda da radiao solar, que variam de 0,15 a 4 m e, assim, grande parte da
energia do sol penetra at a superfcie da terra. Parte da radiao solar difundida
pela atmosfera devido presena de poeira, gotculas de gua, alm das nuvens.
Pouco menos da metade da radiao incidente absorvida e outra parte
refletida, atravs da emisso de uma radiao para a atmosfera, chamada de
radiao terrestre. Esta radiao tem comprimento de onda na faixa de 5 a 20 m,cuja variao depende da superfcie, ou seja, algumas superfcies tm uma maior
absoro de energia que outras. O ndice de absoro definido como albedo,
relao entre a radiao refletida pela superfcie e o fluxo incidente.
A parte da energia absorvida pela superfcie ainda parcialmente
transferida atmosfera na forma de calor, seja por conduo ou por conveco. A
conduo, no entanto, limitada somente camada muito superficial de ar, com
cerca de um milmetro de espessura, que se adere superfcie da terra. Acima desta
camada o efeito da conduo desprezvel comparado aos processos de radiao e
conveco. A conveco envolve o intercmbio vertical de massa de ar, que pode ser
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livre, ou natural, como quando a densidade da massa de ar diferente ao seu
circunvizinho e movida pela fora de empuxo, ou ainda pode ser forada, como
pela passagem de ar sobre o solo rugoso. Normalmente o movimento pela
combinao de ambos. Este movimento manifestado como movimento dediscretas massas de ar. [1]
3.2. Fora de CoriolisO efeito de Coriolis, tambm chamado de fora de Coriolis, a acelerao
aparente provocada pela rotao da terra e que tende a desviar todo objeto
movendo-se livremente. Esta fora muito importante, pois afeta o movimento do
vento, alterando sua velocidade e, principalmente, sua direo.
A terra uma esfera que gira em torno de seu prprio eixo a uma velocidade
tangencial de 1.600 km/h, no equador. Logo, um objeto situado na latitude 0 tem
uma velocidade tangencial maior que outro objeto situado mais prximo a um dos
plos. A rotao dos objetos , contudo, a mesma, alterando-se o raio de giro, j que
ao aproximar-se de um dos plos, um objeto aproxima-se do eixo de giro.
Assim, uma massa que se desloque no sentido do plo ao equador, ou vice-
versa, ter seu momento angular alterado. Porm, de acordo com a lei da
conservao da quantidade de movimento, esta massa ao sofrer alterao em uma
direo, ir variar tambm em outra direo. Esta variao ser na proporo
inversa o que resultar em uma quantidade de movimento transversal ao seu
deslocamento. Em resumo, uma massa que se desloque no sentido do plo ao
equador ter um movimento circular com rotao no sentido oposto ao da terra,
enquanto que uma massa se deslocando no sentido inverso, movimentar-se-
circularmente no mesmo sentido de rotao da terra.
A fora de Coriolis, por unidade de massa calculada pela expresso
abaixo:
= 2. . . (3.1)Onde: = velocidade angular da terra [7,29.105 rad/s]
v = velocidade da partcula [m/s]
= latitude []
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O efeito da fora de Coriolis sobre o vento fazer com que este apresente
movimentos tipicamente circulares, ou em espirais, em torno dos centros de
presso, que tendem a provocar deslocamentos de massas de ar entre o equador e
os plos. A fora de Coriolis foi calculada para o local em que o aerogerador foiinstalado. Sabendo-se que a latitude do local 1259, a fora de
aproximadamente 3,28.10-5 N. Uma fora baixa tendo em vista a baixa latitude em
que o estamos localizados.
3.3. Tipos de Vento
3.3.1.Ventos globais
No equador a fora de Coriolis zero, visto que a latitude zero ( = 0).
Sendo assim, qualquer gradiente de presso horizontal mover as partculas de ar
em direo baixa presso. Como no h fora de oposio ao movimento, exceto o
atrito, as partculas se movero da regio de alta presso para a de baixa presso.
Eventualmente, o fluxo reduzir o gradiente de presso a zero. Centros de alta oubaixa presso, contudo, no se mantm prximos ao equador.
Figura 3.1 - Movimento de uma partcula de ar devido s foras de gradientes de presso(PH) e s foras de Coriolis (FC) [1]
A figura acima ilustra o movimento de uma partcula de ar estacionada no
ponto A, que encontra-se numa regio de alta presso atmosfrica no hemisfrio
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Norte. Devido fora de gradiente de presso PH, dada pela equao abaixo, o ar
movimentado em direo zona de baixa presso atmosfrica. No entanto, o
movimento do ar faz que a fora de Coriolis FC (equao 3.1) aja no sentido do
movimento de rotao da terra e, assim, o ar gira nesta direo at que o equilbriode foras se estabelea.
= 1 . (3.2)
Quando o equilbrio estabelecido, tem-se:
PH = FC (3.3)
Igualando-se as equaes 3.1 e 3.3, obtem-se:
1
. = 2. . . (3.4)
Onde: = massa especfica do ar [kg/m];
P = diferena de presso sobre o volume de ar [N/m];
X = comprimento do volume de ar [m];
= velocidade angular da terra [7,29.105 rad/s];
v = velocidade de uma partcula [m/s]
= latitude []
O vento que satisfaz a equao acima chamado de vento geostrfico. Este
vento ocorre somente na atmosfera superior, quando no h atrito do solo e apenas
aparecem as foras de Coriolis e de gradiente de presso.
Na figura 3.1 est representada uma situao de equilbrio entre as forasde gradiente de presso PH e de Coriolis FC. Esta situao ocorre com o vento
movendo-se em sentido paralelo s linhas isbaras, que so linhas de presso
constante e, desta forma, o vento seguir o sentido indicado na figura at que o
equilbrio de foras termine. O ingresso de massa de ar em outra zona de presso
atmosfrica pode alterar o equilbrio, assim como a mudana da fora de Coriolis
alteraria o equilbrio, pela alterao da latitude () ou da velocidade do ar. [1]
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3.3.2.Ventos de superfcie
Os ventos so muito influenciados pela superfcie terrestre at altitudes de
100 metros. A intensidade do vento reduzida pela rugosidade da superfcie da
terra e pelos obstculos. As direes perto da superfcie so diferentes das dos
ventos geostrficos, devido rotao da terra. [1]
3.3.3.Ventos Locais
As circulaes tercirias de vento so em pequena escala caracterizadas por
ventos locais. Alguns exemplos de circulaes tercirias so: brisas martima e
terrestre, ventos em vales e montanhas, nevoeiros, temporais e tornados. Vamos
nos ater aqui aos dois primeiros exemplos por serem mais atuantes na regio em
estudo.
A direo do vento influenciada pela soma dos efeitos globais e locais.
Quando os ventos globais so suaves, os locais podem dominar o regime de ventos.
As brisas martimas e terrestres so circulaes de ar que ocorrem em reas
costeiras quando as diferenas trmicas entre a terra e a gua so suficientemente
grandes. Durante o dia, o ar sobre a terra reflete mais energia para a atmosfera do
que o ar sobre a gua. Assim a presso do ar sobre a superfcie da gua
relativamente maior que sobre a terra. Desta forma, o ar movimenta-se da regio de
alta para a de baixa presso, resultando na brisa martima, como mostrado na
figura abaixo.
Figura 3.2 - Brisa martima durante o dia [4]
noite, o fenmeno inverte-se, e o movimento do ar no sentido da terra
para a gua, conhecido como brisa terrestre. Este movimento se deve ao fato de
noite a terra esfriar-se rapidamente, tornando-se mais fria que a gua. Assim, a
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diferena de presso entre a terra e a gua inverte-se, invertendo-se tambm o fluxo
de ar. Como as diferenas de temperatura noite so menores, a brisa terrestre
geralmente mais fraca. A seguir, a figura ilustra a brisa terrestre.
Figura 3.3 - Brisa terrestre durante a noite
As brisas martimas e terrestres tambm podem ocorrer nas costas de
grandes lagos. Os ventos em vales e montanhas so causados por diferenas de
presso e relevos. Durante o dia, o ar morno aquecido pela terra sobe a montanha,
devido troca com o ar frio, mais pesado, que desce at o fundo do vale. noite o
processo invertido, pois agora a terra e rocha das montanhas so esfriadas, mas a
presso maior no vale. [4]
3.4. A potncia do ventoUma turbina elica capta uma parte da energia cintica do vento, que passa
atravs da rea varrida pelo rotor, e a transforma em energia eltrica.
Considerando-se um fluxo de ar, movendo-se a velocidade V1, perpendicular seo
transversal de um cilindro, a energia cintica da massa de ar m velocidade V1 :
= .122
(3.5)
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Figura 3.4 - Fluxo de ar atravs de uma rea transversal A [1]
A potncia P disponvel no vento definida como a derivada da energia no
tempo:
= = 12
2(3.6)
Onde:
P = potncia disponvel no vento [W];
E = energia cintica do vento [J];t = tempo [s];
= fluxo de massa de ar [kg/s];V1 = velocidade do vento [m/s];
O fluxo de massa de ar dado por:
= V1 A (3.7)
Onde:
= fluxo de massa de ar [kg/s]; = massa especfica do ar [kg/m];
V1 = velocidade do vento [m/s];
A = rea da seo transversal [m];
Logo, quando substitui-se a equao (3.7) na (3.5), temos que a potncia
disponvel no vento que passa pela seo A dada por:
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= 12
13 (3.8)
Onde:
P = potncia do vento [W];
= massa especfica do ar [kg/m];
A = rea da seo transversal [m];
V1 = velocidade do vento [m/s];
Quando analisamos, contudo, o vento que passa pela rea varrida pelo
rotor de uma turbina, devemos considerar o coeficiente aerodinmico de potnciado rotor (CP) e o rendimento do conjunto gerador /transmisses mecnicas e
eltricas (). O coeficiente aerodinmico de potncia do rotor tem seu valor mximo
terico, de acordo com a lei de Betz, de 59,3% e varia com o vento, rotao e
parmetros de controle da turbina. Assim, a potncia til produzida pela turbina
elica deve ser escrita da seguinte forma:
= 12
. .. 13. . (3.9)
3.5.Fatores que influenciam a energia do ventoAlguns fatores influem diretamente na energia que provm do vento. A
escolha do local em que ser feita a instalao de um aerogerador deve sempre levar
em considerao a influncia desses fatores de modo a otimizar o aproveitamento
do recurso elico para produo de energia eltrica.
3.5.1.A altitude e a temperatura ambiente
A partir da expresso (3.9), constata-se uma relao direta entre a potncia
disponvel no vento e a massa especfica do ar. A energia cintica de um corpo em
movimento proporcional a sua massa, sendo assim, a energia cintica do vento
depende da densidade do ar. A densidade do ar, por sua vez, varia com a
temperatura e a presso atmosfrica, conforme a expresso abaixo:
=
(3.10)
onde:
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= massa especfica do ar [kg/m];
R = constante do ar [287 J/kg.K];
Pa = presso atmosfrica [Pa];T = temperatura ambiente [K];
A massa especfica do ar depende tambm da altitude e da temperatura
ambiente, j que a altitude afeta a prpria temperatura e a presso atmosfrica do
local. A expresso abaixo estima a massa especfica do ar em funo da altitude
do local e da temperatura ambiente:
= 353,4 (1
45271)5,2624
273,15+ (3.11)
onde:
= massa especfica do ar [kg/m];
z = altitude do local [m];
T = tempertatura ambiente [C].
Em condies metereolgicas padro, isto : 15C e 1.013 hPa, a massa
especfica do ar 1,225 kg/m.
A extenso pela qual a velocidade do vento aumenta com a altura
governado por um fenmeno chamdo wind shear. A frico entre ventos mais
lentos e mais rpidos leva ao aquecimento, velocidade do vento mais baixa e muito
menos energia disponvel do vento perto do solo.
A seguir, a figura ilustra a relao de altura e velocidade em diferentes
reas.
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Figura 3.5 - Diferentes reas e suas relaes entre velocidade do vento e altura [4]
Percebe-se que em regies com grande concentrao de construeselevadas, como prdios, o vento s atinge velocidades razoveis a uma determinada
altura. J em reas em que s h casas e pequenas construes, o vento atinge
velocidades satisfatrias em alturas menores. No caso do litoral, o vento atinge
velocidades maiores do que os outros exemplos em alturas bem menores.
A converso de energia em regies com muitos obstculos fica prejudicada,
mesmo assim, ainda possvel o aproveitamento nestas regies. necessrio,
todavia, um estudo de viabilidade para a instalao de equipamentos queconvertam a energia elica em eletricidade.
H uma regra prtica que permite a utilizao de cata-ventos em locais com
obstculos naturais, como rvores ou elevaes no solo. A regra diz que o catavento
tem que ficar a uma distncia mnima de 7 vezes a altura que o obstculo tem.
O comportamento logartmico da velocidade do vento pode ser usado para
determinar a velocidade do vento em uma determinada altura, sabendo-se sua
velocidade em outra altura. A equao abaixo foi utilizada para que se pudesse
estimar a velocidade do vento no local da instalao do gerador na EPUFBA, tendo
como base as medies de vento da estao coletora.
2 = 1(21) (3.12)
onde:
h1 = altura do solo do ponto 1 [m];
h2 = altura do solo do ponto 2 [m];
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v1 = velocidade do vento no ponto 1 [m/s];
v2 = velocidade do vento no ponto 2 [m/s];
= expoente de camada limite [adimensional];
= 21
21 (3.13)
Onde:
V1 = velocidade do vento no ponto 1 [m/s];
V2 = velocidade do vento no ponto 2 [m/s];
Z1 = altura no ponto 1 [m];
Z2 = altura no ponto 2 [m];
A partir da razo entre as alturas no rotor do aerogerador e do local de
coleta de dados de vento que de 2,5 e do expoente de camada limite de 0,4, para
locais com rugosidade considervel, como cidades, calculou-se um fator de
aproximadamente 1,4 para se estimar as velocidades do vento na altura do rotor do
GERAR 246, tendo como base as velocidades medidas pela estao anemomtrica.
3.5.2.A velocidade do vento
A partir da expresso (3.9), percebe-se que a potncia disponvel no vento
proporcional ao cubo da velocidade que ele apresenta. Este aspecto muito
importante e quer dizer que um vento com velocidade 10% superior, por exemplo,
apresenta 33% mais potncia disponvel, mantidas as demais condies. No caso
estudado, por exemplo, considerando-se velocidades 1,4 vezes maiores na altura do
rotor do aerogerador, dispe-se de potncias aproximadamente 2,8 vezes maiores.
O grfico a seguir mostra a variao da potncia disponvel no vento em
funo da velocidade do mesmo, considerando-se a massa especfica do ar
constante.
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Figura 3.6 - Variao da potncia disponvel no vento com a velocidade do vento [1]
3.5.3.rea de varrimento do rotor
A rea de varrimento do rotor ou, a circunferncia que o rotor abrangefisicamente o que determina quanta energia do vento a turbina elica capaz de
captar. Como a rea do rotor aumenta com o quadrado do raio, por exemplo, uma
turbina duas vezes maior recebe quatro vezes mais energia.
3.6. Extrao da potncia do vento e Mximo de BetzO fluxo de ar atravs de uma turbina elica de eixo horizontal ilustrado na
figura a seguir.
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Figura 3.7 - Fluxo de vento atravs de uma turbina elica [1]
A equao da continuidade de Bernouilli define a vazo de fluido como
sendo constante para diferentes localizaes ao longo do tubo de vazo. Assumindo-
se que no haja fluxo de massa atravs dos limites do tubo de vazes e
considerando-se a massa especfica do ar constante, vlido para velocidades de
vento menores que 100 m/s, tem-se:
= = = (3.12)onde:
Q = vazo de ar que atravessa a turbina elica [m/s];
A = rea da seo transversal do tubo de vazo que o ar atravessa a
turbina, antes da turbina, onde o vento livre [m];
v = velocidade do vento livre, antes da turbina [m/s];
Ae = rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na entrada do rotor da
turbina;
ve = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na entrada na turbina
[m/s];
As = rea da seo transversal do tubo de vazo do ar na sada do rotor da
turbina [m];
vs = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na sada da turbina[m/s];
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A turbina elica provocar a reduo da velocidade do vento na sada do
rotor ao converter a energia cintica do vento, o que resultar no aumento do
dimetro do tubo de vazes da figura (3.6), conforme a expresso (3.12).
A potncia do vento extrada pela turbina elica a diferena de potncia
entre o fluxo de ar na entrada e na sada do rotor elico. Pode-se ento escrever:
Pt=Pe-Ps (3.13)
onde:
Pt = potncia extrada do vento pela turbina elica [W];
Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico [W];
Ps = potncia disponvel no vento na sada do rotor elico [W];
Quando o vento perde muita velocidade atrs do rotor, o ar flui em volta da
rea do rotor ao invs de atravess-lo. Logo, a mxima potncia que pode ser
extrada do vento por uma turbina elica apresenta uma limitao que referente a
uma velocidade do vento na sada do rotor elico que no pode ser inferior a1
3da
velocidade do vento incidente. Sendo assim, o rotor absorve a energia equivalente a
2
3da energia disponvel no vento livre antes da turbina. Logo, para a mxima
transferncia de potncia:
= 23 (3.14)
e
= 13 (3.15)
onde:
v = velocidade do vento livre, antes da turbina [m/s];
ve = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na entrada da turbina
[m/s];
vs = velocidade do vento na seo do tubo de vazo na sada da turbina
[m/s];
A potncia do vento na entrada da turbina elica dada por:
=
1
2 2 (3.16)
onde:
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Pe = potncia disponvel no vento na entrada do rotor elico [W];
= fluxo de massa de ar [kg/s];
v = velocidade do vento livre [m/s];Sabendo-se que:
= (3.17)Onde:
= fluxo de massa de ar [kg/s]; = massa especfica do ar [kg/m];
A = rea da seo transversal [m];
ve = velocidade do vento na entrada da turbina [m/s];
Substituindo-se as expresses (3.17) e (3.14) em (3.16), a potncia do vento
na entrada da turbina elica pode ser escrita como:
= 12 2
3 (3.18)
Similarmente, considerando-se = 3, pode-se determinar a potncia dovento na sada da turbina:
= 12 2
3 ( 1
3) (3.19)
Voltando expresso (3.13), da potncia extrada pela turbina elica, e
substituindo-se as equaes (3.18) e (3.19) na mesma, chega-se mxima potncia
que pode ser extrada por uma turbina elica:
= 12 2
3 2 1
2( 2
3)(1
3) (3.20)
Ou:
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3.7.Armazenamento de energiaComo o comportamento do vento muda ao longo do tempo, pode ser
necessria a utilizao de um sistema de armazenamento de energia que garanta ofornecimento adequado demanda. Nos casos em que a energia elica utilizada
para complementar a produo de energia convencional, a energia gerada injetada
diretamente na rede eltrica, no sendo necessrio o armazenamento de energia,
bastando que o sistema eltrico convencional de base esteja dimensionado para
atender demanda durante os perodos de ventos insuficientes.
Quando a energia elica utilizada como fonte primria de energia, uma
forma de armazenamento necessria para adaptar e racionalizar o perfil
aleatrio de produo energtica ao perfil de consumo. Para isso, necessrio
armazenar o excesso de energia durante os perodos de ventos de alta velocidade,
para us-la quando o consumo no puder ser atendido por insuficincia de vento,
esse excesso de energia pode ser armazenada em baterias, deixando as carregadas
para utilizar as mesmas mais tarde quando tiver insuficincia de vento.
Captulo 4
4.O comportamento probabilstico dovento
O vento apresenta variaes importantes e no determinsticas, fazendo-se
necessrio seu estudo por meio de anlise probabilstica.
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4.1. A velocidade do ventoA velocidade do vento varia ao longo do dia, do ms, do ano e a longo prazo
tambm. Na maioria dos casos, pode haver uma variao de at 10% entre o valormdio anual e a mdia de longo prazo da velocidade do vento. Tem-se registros de
diferenas de at 18% entre as mdias anuais e a mdia de longo prazo em estaes
colocadas em regies com significativas variaes de vento.
Ao longo de um ano o vento tambm varia. Esta variao , contudo,
sazonal, apresentando o mesmo comportamento para perodos iguais de anos
diferentes. At mesmo ao longo do dia, a velocidade do vento experimenta variaes
significativas como verificado abaixo nos dados medidos no dia 07/09/2009 na
estao anemomtrica da Escola Politcnica da UFBA.
Figura 4.1 - Variao da velocidade instantnea durante o dia 07/09/2009
4.1.1.Distribuio de frequncia da velocidade do vento
O vento tem uma caracterstica estocstica e sua velocidade uma varivelaleatria contnua. Sendo assim, faz-se necessrio sua discretizao, de forma a
facilitar a anlise. Na tabela a seguir mostrada a discretizao que deve ser feita.
Estes dados foram coletados a partir das medies do meses de agosto, setembro e
outubro de 2009 da estao anemomtrica da escola Politcnica da UFBA. Os dados
de velocidade do vento so divididos em faixas de 1 m/s, padro atualmente usado
em geral nos estudos relacionados energia elica.
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Tabela 4.1 - Dados de vento na forma de frequncia de distribuio
Na figura 4.2 apresentado o grfico referente tabela acima com os
histogramas das frequncias de distribuio da velocidade do vento.
Figura 4.2Frequncia de distribuio de velocidade do vento
Os dados tabulados e representados graficamente foram obtidos por meio
de medies de vento realizadas na estao anemomtrica da EPUFBA que mede
continuamente e registra a velocidade mdia do vento em perodos discretos de 5
minutos.
Velocidade do vento (m/s) Nmero de ocorrncias Frequncia relativa (%)
0-1 368 17,78
1-2 804 38,84
2-3 610 29,47
3-4 221 10,68
4-5 64 3,09
5-6 3 0,14
6-7 0 -
7-8 0 -
8-9 0 -
9-10 0 -
Total 2070 100
-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10
Frequncia de Distribuio da Velocidade do Vento
Frequncia (%)
Frequncia
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A velocidade mdia do vento no perodo em estudo facilmente obtida,
atravs da expresso:
=
1
=1 (4.1)
onde:
vi = velocidade do vento registrada [m/s]
n = nmero de registros [adimensional]
i = identificao do registro
Como no foi possvel obter todos os registros a cada 5 minutos nos meses
estudados, calculou-se a mdia ponderada dos trs meses da seguinte forma:
= (4.2)onde:
vmi = velocidade mdia do intervalo
NO = nmero de ocorrncias
TNO = total do nmero de ocorrncias
A mdia da velocidade no trimestre foi 1,93 m/s.
4.1.2. Funo densidade de probabilidade do vento
A funo de densidade de probabilidade f(v) uma forma de representaoda distribuio da velocidade do vento. A velocidade mdia dada neste caso por:
= 0 (4.3)
onde v a velocidade do vento [m/s].
A funo de Weibull , no entanto, a funo de densidade de probabilidade
mais adequada distribuio do vento. Esta funo dada pela seguinte expresso:
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conhece o perfil do vento, visto que apenas o conhecimento da velocidade mdia do
vento suficiente para a determinao da sua frequncia de distribuio. A
distribuio de Rayleigh dada pela expresso:
= 2
4() (4.5)
onde:
v = velocidade do vento [m/s];
V = velocidade mdia do vento [m/s].
Captulo 5
5.Turbinas elicasAs turbinas elicas realizam a extrao da energia cintica do vento. A
potncia do vento convertida em potncia mecnica para a realizao de trabalho
ou converso em energia eltrica por meio das turbinas elicas.
Neste captulo sero mostradas turbinas elicas usadas para a produo de
energia eltrica.
5.1. Tipos de turbinas
5.1.1.Turbinas de arraste
As turbinas de arraste tm suas ps empurradas pelo vento, fazendo o rotor
girar. Trs tipos de ps de turbinas de arraste so mostradas na figura a seguir: a
plana, tipo clice e Panemone.
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A fora de arraste provocada pelo vento que flui sobre as ps expresso
por:
= 12 (5.1)
onde:
Fa = fora de arraste aerodinmico [N];
= passa especfica do ar [kg/m];
v = velocidade do vento [m/s];
Ca = coeficiente de arasto [adimensional];
A = rea da p [m];
O coeficiente de arrasto Ca depende da forma da p e varia de acordo com o
seu desenho e dimenses, apresentando valores inferiores a 2.
A velocidade das ps em turbinas de arraste no pode ser maior que a
velocidade do vento, fator que limita sua eficincia. Estas turbinas so
frequentemente usadas para bombeamento de pequenos volumes de gua com
ventos de baixa velocidade. Apresentam potncia de 0,5 kW para um rotor com
dimetro da ordem de 5m.
5.1.2.Turbinas de sustentao
As turbinas de sustentao usam aeroflios, similares a de avies, como
ps. Na figura abaixo representa-se o fluxo de ar na seo de uma p de um rotor
de uma turbina elica de sustentao. O vento v incide sobre a p com um ngulo em relao ao eixo da p. O fluxo de ar, ento, forado a mudar sua direo na
p, o que faz tambm mudar sua velocidade. Isto resulta, pela segunda lei de
Newton, no surgimento de uma fora de empuxo Fe .
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A incidncia do vento sobre as ps de uma turbina elica poder provocar
um deslocamento do fluxo de ar de parte da superfcie da p, dependendo do
ngulo de incidncia do fluxo de ar, das dimenses e perfil da p e da velocidade do
vento incidente. A figura a seguir demonstra esse deslocamento, mostrando duassituaes.
Figura 5.2 - Fluxos de ar no perfil de uma p [1]
Na primeira situao, o fluxo de ar laminar e aderente superfcie da p
na primeira regio. Neste caso a fora de sustentao maior, logo a sustentao
aerodinmica da p tambm maior e h maior transferncia de potncia do vento.
Na segunda regio o fluxo de ar sobre a p turbulento, o que resulta em
um deslocamento entre o fluxo laminar do ar e a superfcie da p. Nesta regio, no
haver fora de sustentao aerodinmica, ou seja, FS = 0 e no haver
transferncia de potncia. Esta regio chamada de regio de perda, j que h
perda de sustentao aerodinmica. Logo, quanto maior for a regio de perda numa
p em relao regio de sustentao, menor ser a transferncia de potncia do
vento realizada pela p.
A figura a seguir mostra dois casos, um com fluxo aderente p e outro
com o fluxo separado, com perda de sustentao.
5.2. Orientao do eixo de turbinas elicasAs turbinas elicas podem ser construdas com o eixo horizontal ou vertical.
Os rotores de eixo horizontal precisam se manter perpendiculares direo
do vento para capturarem o mximo de energia. Este o tipo de turbina mais usado
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atualmente. As turbinas de eixo vertical no necessitam de mecanismos rotacionais
e tm a vantagem do gerador e transmisso serem instalados no solo. As turbinas
Darrieus e Savonius so exemplos. A seguir a figura mostra um rotor Savonius:
Figura 5.3 - Rotor Savonius
A turbina Savonius possui um torque de partida mdio ou alto. usada
para bombeamento e moagem devido baixa velocidade do rotor. Por meio da
regulao da passagem de ar entre as ps, possibilita-se o controle de torque destas
mquinas. Usa-se um rotor que no estritamente de arraste, mas tem a
caracterstica de p com grande rea para interceptar o vento. Sendo assim, h
mais material e, consequentemente, mais problemas com a fora do vento paragrandes velocidades, o que provoca um momento que deve ser suportado pela p e
que deve ser absorvido na base da torre, mesmo com o rotor parado. A grande
vantagem da turbina Savonius sua facilidade de construo.
A turbina Darrieus, por sua vez, utilizada na gerao de energia eltrica,
por isto a velocidade do rotor alta, movendo-se mais rpido que o vento. Nesta
mquina o aerogerador instalado no solo, o que facilita sua montagem e
manuteno.
5.3. Nmero de ps em turbinas elicasAs turbinas elicas de eixo horizontal podem ser fabricadas com diferentes
nmeros de ps no seu rotor. Uma p girando no espao que j foi ocupado por
outra, corta um ar perturbado, o que reduz a velocidade do rotor. Por outro lado,
um maior nmero de ps aumenta o torque sobre o eixo do rotor. Como torque e
velocidade so inversamente proporcionais, quanto menor for o nmero de ps,mais rpida ser a rotao do rotor.
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A gerao eltrica exige alta velocidade e baixo torque, portanto, turbinas
com poucas ps. O bombeamento de gua e os processos de moagem, por sua vez,
requerem altos torques e baixas velocidades. Para essa aplicao so, ento, usadas
turbinas com vrias ps.
O menor nmero de ps possvel um. O movimento do rotor, neste caso,
muito irregular, j que a incidncia do vento maior na p que no contrapeso. O
rotor sofre grandes vibraes, produz mais rudos e apresenta dificuldades de
balanceamento, devido alta velocidade e vibrao.
O rotor de 3 ps tem movimento suave e estvel, resultando em impacto
visual menor. O balanceamento destes rotores mais fcil e apresenta vibraes e
emisses de rudos menores. O rotor da turbina que ser o objeto deste estudopossui 3 ps.
5.4. Controle de potncia e velocidade das turbinaselicas
A p do rotor de uma turbina elica tem um perfil especialmente projetado e
que similar aos usados para asas de avies, de forma que as foras aerodinmicas
geradas ao longo do perfil convertam a energia cintica do vento em energia
mecnica rotacional. Com a velocidade do fluxo de ar aumentando, as foras de
sustentao aerodinmicas aumentam com a segunda potncia, conforme a
expresso (5.2) e a potncia extrada do vento, com a terceira potncia de velocidade
do vento, conforme a expresso (3.9). Sendo assim, necessita-se de um controle de
potncia do rotor efetivo e rpido para que se evite danos no rotor em virtude de
ventos altos.
Dois princpios de controle aerodinmico so usados em turbinas. Um
passivo, chamado de controle por estol (stall control) e outro ativo, chamado de
controle de passo (pitch control).
5.4.1.Controle por estol
Este tipo de controle passivo e reage velocidade do vento. As ps do
rotor so fixas e no podem ser giradas em torno do seu eixo longitudinal. O ngulo
de passo escolhido de forma que para velocidades de ventos maiores que a
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nominal, o fluxo em torno do perfil da p do rotor se descola da superfcie (estol). O
fluxo se afasta da superfcie da p, surgindo regies de turbulncia entre esse fluxo
e a superfcie. Na situao de estol, a fora de sustentao reduzida, enquanto a
fora de arrasto aumentada. Esta dinmica permite o controle da potncia de sadada turbina.
Para evitar que o estol ocorra em todas as posies radiais das ps ao
mesmo tempo, o que reduziria consideravelmente a potncia do rotor, as ps
possuem uma toro longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento do
estol. O fluxo em torno dos perfis das ps do rotor deslocado da superfcie,
produzindo sustentaes menores e foras de arrasto mais elevadas.
As turbinas com controle por estol so mais simples que as com controle depasso e apresentam certas vantagens, como: a inexistncia de sistemas de controle
de passo, estrutura de cubo do rotor simples, requerem menos manuteno devido
a um nmero menor de peas mveis, permitem um auto-controle da potncia.
A curva de potncia tpica de uma turbina com controle por estol
mostrada na figura a seguir.
Figura 5.4 - Curva de potncia tpica de uma turbina com controle por estol [1]
5.4.2.Controle de passo
Este tipo de controle ativo, fazendo-se necessrio um sinal do gerador de
potncia. Quando a potncia nominal do gerador ultrapassada, devido ao
aumento das velocidades do vento, as ps do rotor sero giradas em torno do seu
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eixo longitudinal, mudando o ngulo de passo para aumentar o ngulo de ataque
do fluxo de ar. Este recurso faz que as foras aerodinmicas atuantes e a extrao
de potncia de vento pela turbina diminuam.
Figura 5.5 - Representao do movimento de uma p de uma turbina com controlede passo
Fonte: Energia Elica para Produo de Energia Eltrica
O controle de passo determina um ngulo de passo de tal maneira que a
turbina produza apenas a potncia nominal para todas as velocidades do vento que
superam a nominal. At atingir a potncia nominal, o fluxo em torno dos perfis da
p do rotor bem aderente superfcie, resultando em sustentao aerodinmica e
pequenas foras de arrasto. Para que a potncia permanea constante, o ngulo de
ataque deve ser alterado de forma a produzir o estol e, assim, a perda de
sustentao suficiente para a manuteno da potncia transferida pelo rotor.
A curva de potncia tpica de uma turbina com controle de passo
mostrada na figura a seguir.
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Figura 5.6 - Curva de potncia tpica de uma turbina com controle de passo [1]
As turbinas com controle de passo, apesar de serem mais sofisticadas do
que as de passo fixo, controladas por estol, possuem algumas vantagens, como:
controle de potncia ativa sob todas as condies de vento, possibilidade de atingir
a potncia nominal mesmo sob condies de baixa densidade do ar, maior produo
de energia sob as mesmas condies, partida simples do rotor pela mudana de
passo, ps dos rotores mais leves, etc.
5.4.3.Controle por estol ativo
O sistema de controle por estol ativo um controle de potncia e velocidade
hbrido. Mistura-se os controles por estol e de passo. O aerogerador GERAR 246,
objeto de estudo do trabalho, possui este tipo de controle.
Como maiores vantagens deste tipo de sistema esto a necessidade de
pequenas mudanas no ngulo de passo para se controlar a potncia, a
possibilidade de controle de potncia sob condies de potncia parcial, no caso de
ventos baixos e maior simplicidade na construo, em comparao com turbinas
com controle de passo.
Captulo 6
6.AerogeradoresOs aerogeradores so equipamentos para produo de energia eltrica a
partir da energia cintica do vento. A turbina elica e o gerador so os principais
componentes de um aerogerador. Neste captulo sero mostrados, o princpio da
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gerao de energia eltrica por meio de um aerogerador, os componentes, sistemas
e caractersticas do GERAR 246, objeto de estudo do presente trabalho.
6.1. O princpio da gerao elicaA turbina elica movida pelo vento produz energia mecnica, que
transmitida ao gerador pelo eixo e convertida em energia eltrica posteriormente.
A converso de energia mecnica em energia eltrica pelo gerador eltrico
feita por meio de converso eletromagntica. O acoplamento entre a turbina e o
gerador feito por meio de caixas multiplicadoras na maioria dos grandes
aerogeradores, devido s diferentes rotaes das duas mquinas. H, contudo,
alguns casos de acoplamentos diretos, que no requerem o uso de caixas
multiplicadoras. O GERAR 246 permite o acoplamento direto ao captador elico,
sendo o alternador uma mquina prpria para uso em baixa velocidade. O gerador
eltrico pode ser sncrono ou assncrono.
6.2. Partes do aerogerador GERAR 246Um aerogerador formado por diversas parte e sistemas. O GERAR 246
formado pelas seguintes: Ps/captador elico, alternador (gerador de magnetos
permanentes), leme direcionador, cabea rotativa e controlador de carga. Os
componentes sero detalhados a seguir.
6.2.1.Ps/Captador Elico
O rotor do GERAR 246 composto de trs ps feitas de fibra de vidro
fixadas na prpria carcaa do alternador por meio de uma raiz tubular de ao inox
que permite a sua modulao, ajustando o ngulo de ataque em funo davelocidade do vento. H ainda para a fixao das hlices uma mola central que deve
ser comprimida sobre as bases das hlices garantindo que estas atuem de acordo
com a regulagem determinada e tambm para que haja a sincronizao do sistema.
As ps do GERAR 246 tm formato torcido estreitando da raiz at a ponta, o
que facilita a partida com vento de baixa velocidade e oferece alto desempenho nas
maiores velocidades, alm de baixo nvel de rudo.
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6.2.2.Alternador
O GERAR 246 tem um alternador do tipo axial com duplo rotor, o que
permite ter uma mquina potente, compacta e resistente. O alternador utiliza
magnetos permanentes feitos com base de neodmio. O alternador do GERAR 246
uma mquina para uso em baixa velocidade, permitindo o acoplamento direto ao
catador elico, o que dispensa o uso de sistemas multiplicadores de velocidade.
O alternador produz corrente alternada trifsica que flui por mei de trs
cabos para a base da torre e da ao controlador de carga.
6.2.3.Leme Direcionador
O leme direcionador fabricado em fibra de vidro e acoplado ao corpo da
cabea rotativa. Ele composto do leme propriamente dito. O leme direcionador tem
como funo a orientao do captador elico no sentido da direo do vento e
responde s mnimas alteraes nesta direo.
6.2.4.Cabea Rotativa
A cabea rotativa ajuda na fixao no tubo padro que sempre deve existir
no topo da torre. Os seus rolamentos internos permitem o giro completo, facilitando
o alinhamento do aerogerador com a direo do vento. No interior da cabea
rotativa feita a fixao do cabo eltrico que transmite a corrente eltrica do
gerador que gira acompanhando a direo do vento para o controlador de carga.
Para que no haja a toro no cabo eltrico durante a mudana de direo do
gerador, o GERAR 246 dispe de um jogo de escovas que fazem a transferncia da
energia do aerogerador para o cabo eltrico.
6.2.5.Controlador de Carga
A energia gerada pelo alternador chega ao controlador de carga na forma
alternada e trifsica. O nvel de tenso e a freqncia, no entanto, variam
extremamente com a velocidade do vento. Para algumas aplicaes, como
bombeamento e aquecimento, possvel que se utilize a energia como ela gerada,
mas para aplicaes mais usuais da energia, necessrio acumular e estabilizar a
energia.
O controlador de carga transforma a energia recebida do alternador para a
forma de corrente contnua disponvel para sistemas de 24/48 V. Atravs dele,
pode-se aplicar o freio magntico, acionando-se uma chav