Componentes do Sistema turbina de eixo horizontal mais comum

Na Fig. 3.14 ilustram-se os principais componentes da turbina de eixo horizontal, a mais comum, que será descrita no restante texto desta secção.

Do ponto de vista de um observador externo, uma turbina eólica é constituída por três com- ponentes principais: rotor, cabine (Nacelle) e torre. No entanto, de forma mais detalhada (Fig. 3.14), salientam-se os seguintes componentes: cabine; radiador de arrefecimento; gerador; painel de controlo; carcaça principal; isolamento de ruídos; sistema hidráulico; caixa de velocidades; iso- lamento de ruídos; mecanismo de orientação direccional; veio do rotor; radiador de arrefecimento; orientação das pás do rotor; rotor hub e cone do rotor.

3.3.5.1 O rotor

O rotor é responsável por transformar a energia cinética do vento em movimento circular do eixo do motor. Normalmente, é constituído por três pás (mais de 90% das instalações). Muitas vezes, são incorporados no rotor mecanismos de controlo de potência e de direccionamento para alinhamento das pás com a direcção do vento. Na literatura define-se Solidity (Solidez) como sendo a razão entre a área total das pás e a área varrida pelas mesmas. Se o diâmetro e a solidez das pás forem mantidos constantes, o rendimento aumenta com o número de pás, porque diminuem as chamadas perdas de extremidade. Bastante relevantes são os materiais utilizados para a construção do rotor, dado que este elemento é o que suporta a força do vento. Os materiais utilizados são, a madeira e compostos sintéticos, nomeadamente, plásticos reforçados com fibra de vidro e fibra de carbono. A escolha da utilização dos materiais relaciona-se com, o preço, a moldabilidade, as propriedades mecânicas e a resistência à fadiga. A tendência actual aponta para o desenvolvimento de novos materiais compósitos híbridos, de forma a tirar partido das melhores características de cada um dos componentes, designadamente, peso, robustez e resistência à fadiga.

3.3.5.2 Cabine

Na cabine estão alojados os diferentes componentes, nomeadamente, veio transmissor, travão, gerador, caixa de velocidades, mecanismo de orientação direccional e controlo de paragem de emergência. Existem ainda sensores incorporados na cabine, no exterior, nomeadamente, um anemómetro medindo a velocidade e direcção do vento, servindo como entrada para o sistema de controlo que, por sua vez, permite a entrada em funcionamento a partir dos 5m/s e a paragem para velocidades superiores a 25m/s. A informação do vento é usada para o sistema de orientação direccional.

Do ponto de vista da construção da turbina eólica, quando se coloca o último elemento da torre (normalmente três secções, Fig. 2.2, pág. 19), é obrigatório instalar a cabine, caso contrário, a estrutura poderá colapsar devido à força do vento.

(a) Cabine com gerador tradicional (Vestas); 1-Controlador do Cubo; 2- Controlo pitch; 3- Fixação das pás no cubo; 4- Eixo principal; 5- Aquecedor de óleo; 6- Caixa multiplicado- ra; 7- Sistema de travagem; 8- Plataforma de serviços; 9- Controladores e Inversores; 10- Sensores de direcção e velocidade do vento; 11- Transformador de alta tensão; 12- Pás; 13- Rolamento das pás; 14- Sistema de travagem do rotor; 15- Sistema hidráulico;16- Pla- taforma da nacelle; 17- Motores de posicionamento da nacelle; 18- Luva de acoplamento; 19- Gerador; 20- Aquecimento de ar;

(b) Cabine com gerador multipólos (Enercon); 1- Apoio principal da nacelle; 2- Motores de orientação da nacelle; 3- Gerador em anel (multipólos); 4- Fixa- dor das pás ao eixo; 5- Cubo do rotor; 6- Pás; 7- Sen- sores de direcção e velocidade do vento;

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Figura 3.15: Relação de altura da torre e a potência da turbina eólica [14].

3.3.5.3 A torre

As torres são necessárias para suportar a cabine, o rotor e para o posicionar à altura conveniente para um melhor aproveitamento do potencial eólico. Podem ser fabricadas em betão, aço ou ferro. Existem dois tipos de torres, tubulares e entrelaçadas, podendo ou não ser sustentadas por cabos tensores. A torre está sujeita a grandes esforços e tem que ser cuidadosamente dimensionada, dado o seu tempo de vida útil ser elevado, em média, 20 anos.

Normalmente, conforme referido, é feita em ferro, em três peças, unidas por parafusos e com a forma cilíndrica. A Fig. 3.15 mostra a relação da altura da torre em função da potência do aero-gerador e a sua evolução ao longo dos anos.

3.3.5.4 Transmissão e Caixa de Velocidade

A transmissão, que engloba a caixa de velocidades, tem a finalidade de transmitir ao gerador a energia mecânica entregue ao eixo pelo rotor. É composta por elementos mecânicos, nomeada- mente, engrenagens, acoplamentos, etc. Outra função é adaptar a baixa velocidade do rotor, geral- mente entre 20 a 150 rpm, à velocidade do gerador, que se situa nas 1200 a 1800 rpm. Contudo, existem turbinas eólicas onde a caixa de velocidades foi suprimida, sendo tal facto acompanhado pela alteração dos geradores, utilizando-se, neste caso, geradores multi-pólos de baixa velocidade.

3.3.5.5 O gerador

A conversão de energia mecânica em eléctrica é efectuada através de um gerador síncrono (alternador) ou de um gerador assíncrono (de indução).

Se a velocidade do veio no gerador se mantiver constante (através do controlo adequado da caixa de velocidades), o gerador de indução é a opção mais viável e económica tendo, no entan- to, trocas de energia reactiva com a rede e, desta forma, necessidade de correcção do factor de potência.

(a) Aero-gerador de velocidade constante;

(b) Aero-gerador de velocidade variável, com conversor de frequência;

Figura 3.16: Aero-geradores de velocidade constante e variável [14].

A Fig.3.16mostra duas configurações possíveis. Na primeira, são utilizados geradores eléctri- cos assíncronos, ou de indução e, no segundo caso, utilizados geradores síncronos ou assíncronos.

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3.3.5.6 Sistemas de armazenamento da energia

Um dos aspectos negativos da energia do vento é que nem sempre está disponível quando é necessária e, por vezes, quando está disponível, não é necessária. Esta variabilidade do vento leva, por vezes, à necessidade de implementar sistemas de armazenamento. Nos sistemas interligados à rede eléctrica, a energia é injectada na rede e a adequação entre a produção e a procura de energia eléctrica é feita à custa das centrais convencionais, nomeadamente, centrais hídricas com bombagem. Assim, a energia eléctrica eólica, de uma forma geral, é sempre aproveitada. No caso dos ventos nocturnos, altura em que o perfil de consumo é inferior, por vezes a energia produzida é utilizada para bombear água para barragens, aumentando assim o potencial energético armazenado (isto acontece, genericamente, com a energia proveniente de outras fontes, situação que existe quando é mais caro desligar a produção de energia do que mantê-la em funcionamento em alturas que não seria necessária).

No caso de a energia eléctrica eólica ser utilizada como a principal fonte de energia, é neces- sário fazer o seu armazenamento de forma a adequar o perfil aleatório de produção com o perfil de consumo. As formas mais utilizadas de armazenamento são, baterias, ar comprimido e energia potencial.

3.3.5.7 Acessórios

Nos acessórios englobam-se todos os componentes necessários ao bom funcionamento da tur- bina eólica. Incluem-se aqui, cabos, eixos, acoplamentos mecânicos, parafusos, rodas dentadas, rolamentos, etc.