Componentes de uma Turbina Eólica

Para que a turbina eólica possa converter a energia cinética do vento em energia elétrica, são necessários diversos componentes, para que o aproveitamento da energia do vento seja o maior possível, de forma a produzir mais energia elétrica. Na Figura 2.4, observa-se um esquema de alguns componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal.

Rotor e mecanismo de orientação das pás Pá Eixo de baixa velocidade Caixa de Velocidades Travão Gerador Sistema de Controlo Nacelle Mecanismo de Orientação da Nacelle Cabos Fundação

Capítulo 2 – Energia Eólica

Rotor

O rotor é referente a todas as partes da turbina que rodam, sendo assim este é constituído pelas pás e pelo hub. Tomando como exemplo uma ventoinha elétrica convencional, as pás estão conectadas à parte central, conhecida como hub, no entanto numa ventoinha estas partes formam apenas uma única peça, no caso das turbinas eólicas existem algumas diferenças.

Nas turbinas eólicas, as pás e o hub são duas partes separadas e também, no caso das turbinas eólicas mais recentes existe um mecanismo de controlo passo (Pitch) das pás, o que significa que estas não são fixas diretamente no hub, possibilitando assim alterações no ângulo de ataque das pás, o que permite mudar o aproveitamento da energia do vento, ou mesmo parar a turbina em caso de ventos excessivos [18].

As turbinas de eixo horizontal podem ter duas orientações relativas à direção do vento,

Upwind, contra o vento e Downwind, a favor do vento. A Figura 2.5 apresenta as duas

orientações possíveis. Direção do vento Direção do vento Upwind Downwi nd Direção do vento

Figura 2.5. Orientação do rotor de uma turbina eólica em relação à direção vento.

Nas turbinas eólicas do tipo Upwind, o rotor encontra-se à frente da torre e as pás de frente para o vento. A grande vantagem destas reside no facto de que o vento não incide diretamente na torre, no entanto, o rotor destas turbinas é rígido, de forma a suportar as forças que o vento exerce nas pás em direção à torre. Esta necessidade faz com que o rotor se torne mais pesado e que seja também necessário um mecanismo de orientação das pás, que permita manter o rotor orientado contra o vento [19].

Nas turbinas eólicas do tipo Downwind, o rotor encontra-se a favor do vento, o que significa que o vento incide na parte de trás das pás, o que faz com estas não necessitem de

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ser tão rígidas e por consequência são mais leves e não precisam ter um mecanismo de orientação das pás, para que estas estejam alinhadas com vento. No entanto, o vento incide primeiro na torre e só depois no rotor, o que contribui para uma maior fadiga relativamente as turbinas eólicas do tipo Upwind [19].

Pás

O principal componente do rotor são as pás, estas são responsáveis por converter a velocidade do vento em binário, necessário para a produção de energia elétrica. As pás podem ser feitas de diversos materiais plásticos, metálicos ou madeira, atualmente é mais frequente usar fibra de vidro para construir as pás, pois é um material barato e com boa resistência mecânica [20], [21].

As turbinas eólicas de eixo vertical são geralmente constituídas por três pás, mas podem ser encontradas turbinas com uma, duas ou mais de três pás. O número de pás afeta diretamente o coeficiente de potência da turbina eólica, como se verifica pelo gráfico apresentado na Figura 2.6. Como se observa o coeficiente de potência aumenta com o número de pás, no entanto esse aumento começa a ser pouco relevante a partir de três, daí que geralmente as turbinas são construídas com três pás, pois apresentam a melhor relação custo-benefício [14].

Figura 2.6. Influência do número de pás do rotor no coeficiente de potência, dados retirados de [14].

Nacelle

A nacelle, é a parte da turbina eólica que faz a ligação entre o rotor e a torre. Esta localiza-se na parte superior da torre e garante a proteção dos componentes que se encontram dentro dela. Na nacelle, também é realizada a rotação da direção do rotor (Yaw), de forma a

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0 5 10 15 20 25 Coe fici en te d e P o tên cia (C p ) Velocidade de rotação (r.p.m.) 4 pás 3 pás 2 pás 1 pá

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acompanhar a direção do vento, que não é fixa. No interior da nacelle é possível encontrar componentes como gerador, caixa de velocidades, travão, motores e engrenagens do sistema

Yaw [18].

Travão

O travão tem como função parar a turbina, por exemplo, em casos de condições de operação adversas como excesso de vento, que pode causar uma velocidade de rotação de rotor elevada, ou durante interrupções na rede elétrica. Podendo também parar a turbina em caso de necessidade de manutenção [18], [20].

Podem ser usados diferentes tipos de travões, desde travões mecânicos e travões elétricos. Os travões mecânicos usados normalmente nas turbinas eólicas são, travões de disco e travões de embraiagem. O travão de disco funciona de forma semelhante aos travões dos automóveis, um disco de aço é fixo ao eixo e durante a travagem as pinças, acionadas por um sistema hidráulico, empurram as pastilhas contra o disco, forçando-o a parar. O travão de embraiagem funciona com o auxílio de molas que são atuados por sistemas hidráulicos ou pneumáticos [20].

O travão elétrico não é tão usado nas grandes turbinas eólicas, em relação aos travões mecânicos, no entanto é utilizado em microeólicas. O funcionamento deste requer apenas resistências elétricas que são ligadas à saída do gerador e quando necessário, o sistema é desligado da rede elétrica e ligado ao banco que de resistências elétricas, desta forma a carga do gerador irá aumentar e por consequência o torque do eixo também, fazendo com que a turbina abrande [20].

Eixo de Baixa Velocidade

O eixo de baixa velocidade é responsável por fazer a ligação entre o rotor e a caixa de velocidade. Tal como o nome indica, este roda a baixas rotações devido á baixa velocidade do rotor, no entanto este está sujeito a um grande binário produzido pelo rotor e dessa forma deve ser bastante resistente. Dependendo da construção da caixa de velocidades, o eixo pode ser integrado na caixa de velocidades ou então pode estar separado desta e estarem acoplados externamente [20].

Caixa de Velocidades

A caixa de velocidades tem o propósito de adequar a velocidade de rotação do rotor da turbina eólica. Isto é, a velocidade de rotação do rotor das turbinas eólicas é da ordem das

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dezenas de rotações por minuto, enquanto que os geradores apresentam velocidades na ordem dos milhares de rotações por minuto. Assim a caixa de velocidades tem como função aumentar a velocidade de rotação do rotor, de forma a adequa-la para a velocidade de rotação do gerador [18].

Eixo de Alta Velocidade

O eixo de alta velocidade tem a função de fazer a ligação entre a caixa de velocidades e o gerador. Devido à multiplicação na caixa de velocidades este roda a velocidades bastantes elevadas, na ordem das milhares de rotações por minuto. Este não precisa de ser tão robusto como o eixo de baixa velocidade, pois não está sujeito a um binário tão elevado.

Gerador

Um gerador elétrico converte energia mecânica produzida pelo rotor da turbina eólica em energia elétrica. Na seleção de um gerador para uma turbina eólica são tidos em conta vários fatores, tais como, as velocidades a que este irá ser sujeito e a potência produzida [18]. No Capítulo 3, são apresentados os diferentes tipos de geradores utilizados atualmente em turbinas eólicas, geradores síncronos e geradores assíncronos.

Todos os componentes anteriormente referidos encontram-se na nacelle, na estrutura principal, o hub, o eixo de baixa velocidade, a caixa de velocidades, o eixo de alta velocidade e o gerador [20].

Anemómetro

O anemómetro é um componente muito importante para o correto funcionamento de uma turbina eólica, tem como função medir a velocidade do vento e é normalmente montado na parte superior da nacelle. A partir deste é possível determinar qual deve ser o ângulo de ataque das pás e dessa forma controlar o aproveitamento da energia do vento.

No caso de falha do anemómetro é necessário que a turbina pare imediatamente, caso isso não aconteça, valores de leituras erradas podem levar a que esta se danifique [18].

Existem diversos tipos de anemómetros utilizados em turbinas eólicas, o anemómetro de copo que funciona a partir da rotação de uma pequena turbina e um pequeno gerador, dependendo do nível de tensão produzida é possível determinar qual a velocidade do vento. O anemómetro sónico, não tem partes em movimento e o seu funcionamento baseia-se na velocidade do som, enquanto um dos transdutores imite um pulso sónico, os outros três

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medem o tempo de propagação deste pulso e assim é possível determinar a velocidade do vento [18].

Cata-vento

O cata-vento é responsável por medir a direção do vento e desta forma orientar a turbina para a direção correta. Encontra-se montado na parte superior da nacelle, nas proximidades do anemómetro e tem normalmente o formato de uma cauda. Alguns fatores ambientais podem influenciar o seu correto funcionamento, nomeadamente, o gelo e a neve.

Sistema de Controlo

O sistema de controlo tal como o nome indica tem a função comandar todo o funcionamento da turbina eólica, a partir dos dados obtidos dos vários sensores, que medem a velocidade e direção do vento, bem como a velocidade do rotor e a potência produzida pela turbina, entre outros. Estes dados permitem alterar o ângulo de ataque das pás e a rotação da

nacelle (Yaw). Garantindo assim que esta opera sempre em condições de maior produção de

potência e em boas condições de funcionamento.

Mecanismo de Orientação Direcional

Todas as turbinas eólicas de eixo horizontal, apresentam um mecanismo de orientação direcional (Yaw). Existem dois tipos de mecanismos de orientação, mecanismo ativo e mecanismo passivo [15].

O mecanismo ativo é mais usado em turbinas do tipo Upwind, este é acionado a partir de um motor elétrico que faz rodar um pinhão que se encontra em engatado, num rolamento preso na torre e assim faz rodar a nacelle, consoante a direção do vento. Todo este sistema encontra-se na base da nacelle, com exceção do rolamento que está fixo na parte superior da torre [15].

O mecanismo de orientação passiva é utilizado em turbinas do tipo Downwind, este é controlado a partir da aerodinâmica do rotor ou então de um cata-vento que orienta a turbina para a direção correta. Apesar de precisar de menos componentes para funcionar e por consequência ser mais barato, relativamente ao mecanismo ativo, este ao longo do tempo, irá apresentar um maior desgaste, pois o sistema vai estar sempre a oscilar em torno da orientação ótima, acabando por nunca ficar estável [15].

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O mecanismo de orientação passivo é também amplamente utilizado em pequenas turbinas eólicas e microeólicas do tipo Upwind, recorrendo a um cata-vento que orienta a turbina a partir da força do vento [15].

Torre

A torre tem como objetivo suportar todas as outras partes que constituem uma turbina eólica, a uma altura elevada de forma a que a velocidade do vento seja maior e com menos turbulência. A torre deve ser estruturalmente forte, de maneira a suportar com o peso dos outros componentes da turbina eólica e também aguentar as forças que são exercidas pelo vento [18].

É possível encontrar diversos tipos de torres, desde tubulares em aço, tubular escalonada em betão, em treliça e tubular de Guyed. Na Figura 2.7, são apresentados os diversos tipos de torre usada nas turbinas eólicas de eixo horizontal [15].

Apesar dos diversos tipos, atualmente as torres mais usadas são as tubulares em aço. Em alguns casos, as torres podem ser compostas por dois materiais diferentes, betão nos segmentos inferiores da torre e aço nos segmentos mais elevados. As torres tubulares apresentam algumas vantagens em relação a outras, nomeadamente, serem de fácil transporte e montagem, formarem um espaço fechado que fornece mais proteção aos cabos elétricos e de comunicação e também fornecerem uma maior proteção a quem faz a manutenção [18].

Figura 2.7. Tipos de torres utilizados em turbinas eólicas, (a) Torre Tubular, (b) Torre tubular escalonada, (c) Torre em treliça, (d) Torre tubular de Guyed.

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Para que a torre suporte o peso de todos os outros componentes e as forças do vento, é necessária uma base forte o suficiente para esse efeito. No entanto, como o solo não tem capacidade de suportar tais forças, é preciso criar fundações em betão, que impeçam que a torre se mova e que resista a todas as forças que nesta são aplicadas [18].

Turbinas Microeólicas

No caso das turbinas eólicas de pequena dimensão e microeólicas, não são necessários tantos componentes, pois estas são de menor dimensão, encontram-se a alturas inferiores e a potência produzida é inferior [17]. Os componentes que as constituem são um rotor, uma

nacelle, um travão, um gerador elétrico, um sistema de controlo, um cata-vento, um

mecanismo de orientação direcional e uma torre. Alguns componentes apresentam diferenças, como é o exemplo da nacelle, ao contrário do que acontece nas grandes eólicas, onde os componentes encontram-se dentro desta, nas pequenas turbinas e microeólicas esta apenas alberga o gerador, enquanto que o resto dos componentes como, sistema de controlo, conversores de eletrónica de potência e travão elétrica, encontram-se fora desta [22].

As turbinas microeólicas podem também ser de eixo de vertical e horizontal, em 2.7 são apresentados alguns exemplos daquilo que é possível encontrar no mercado relacionado com turbinas microeólicas.

Métodos de Aproveitamento de Energia do Vento

Sendo a energia eólica abundante, esta não é constante ao longo do dia, e como tal são necessários métodos que controlem a potência produzida por estes sistemas de conversão de energia eólica, de maneira a que forneçam a maior potência possível [11].

Os métodos de controlo de potência servem para controlar o ângulo de ataque das pás permitindo assim controlar a força aerodinâmica que é exercida sobre o rotor da turbina eólica e limitando a velocidade de rotação em caso de ventos muitos fortes que podem danificar a unidade eólica [23]. Os métodos de controlo de potência são os seguintes:

• Controlo de passo (Pitch), que permite mudar o ângulo de ataque das pás através de atuadores que as fazem rodar.

• Controlo de perda (Stall) passivo, neste método as pás encontram-se com um ângulo de ataque fixo, no entanto, estas são projetadas de maneira a que quando a velocidade do vento seja alta é criada uma turbulência de modo a gerar perdas.

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• Controlo de perda (Stall) ativo, é muito idêntico ao controlo por perda passivo, no entanto este tem atuadores nas pás que mudam o ângulo de ataque destas, ou seja, as pás não estão fixas, criando a mesma turbulência, que existe no Stall passivo e assim gerar perdas.

A principal diferença entre o controlo de passo e o controlo de perda ativo, no caso de elevada velocidade do vento, é que no controlo de passo as pás, giram para ficarem horizontais em relação ao vento, diminuindo o ângulo de ataque. No controlo de perda ativo as pás rodam, de forma a ficarem contra o vento, gerando perdas no aproveitamento da energia do vento e assim abrandar a eólica [24].

Aplicações dos Sistemas Eólicos

As turbinas eólicas usadas atualmente para produzir energia elétrica, enquadram-se em três tipos de aplicações, sistemas isolados, sistemas interligados à rede elétrica e sistemas híbridos.