Tipos de Aerogeradores

Apesar do princípio de funcionamento de um aerogerador ser fácil de entender, e já referido pelo autor da tese, esta máquina é um sistema complexo que resulta de várias áreas

14_{Imagem retirada de}

de conhecimento tais como aerodinâmica, mecânica, eléctrica e controlo. As pás das máquinas modernas são dispositivos aerodinâmicos com perfis especialmente desenvolvidos, equivalentes às asas dos aviões, e que funcionam pelo princípio físico da sustentação. São as pás juntamente com a velocidade do vento permitem rodar

Actualmente os principais geradores existentes no mercado são de três tipos. As principais diferenças entre eles dizem respeito ao sistema de geração e o modo como a eficiência aerodinâmica do rotor é limitada durante as altas velocidades do vento de maneira a prevenir sobrecargas mecânicas. Os três tipos são:

- Gerador de indução de rotor em gaiola;

- Gerador de indução duplamente alimentado (rotor bobinado); - Gerador síncrono acoplado directamente ao rotor do gerador eólico;

O primeiro sistema de geração é o mais antigo. Este sistema consiste num gerador de indução de rotor em gaiola conectado directamente a rede eléctrica. O escorregamento e, consequentemente, a velocidade, variam com a quantidade de potência gerada. A variação de velocidade, contudo, é pequena, aproximadamente 1% a 2%. Dessa forma, este tipo de sistema é chamado de velocidade constante ou aerogerador de velocidade fixa. De referir que o gerador de indução de rotor em gaiola usado em aerogeradores pode girar em duas velocidades diferentes, mas constantes, pela mudança do número de pólos do enrolamento do estator. O gerador de indução de rotor em gaiola consome energia reactiva. Na maioria dos casos isto é particularmente indesejado por causa dos problemas de nível de tensão no ponto de conexão devido ao fluxo de potência reactiva na rede eléctrica. Dessa forma, o consumo de potência reactiva pelo gerador de indução é compensado, em parte ou totalmente, por condensadores. Os outros dois sistemas de geração são os de velocidade variável. Para permitir a operação em velocidade variável, a velocidade mecânica e a frequência da rede devem estar desacopladas. Para tal, são usados dispositivos electrónicos. No gerador de indução duplamente alimentado um conversor alimenta o enrolamento trifásico do rotor. Desse modo, a frequência mecânica e eléctrica do rotor estão desacopladas e a frequência eléctrica do estator e do rotor são equivalentes, independente da velocidade mecânica do rotor. Este sistema tem as seguintes vantagens:

-Redução de custo do inversor, pois a potência do mesmo é da ordem de 25% da potência total do sistema;

-Redução de custo dos filtros, pois os mesmos são dimensionados para 25% da potência total do sistema, e os harmónicos produzidos pelo inversor representa apenas uma pequena fracção da distorção harmónica total;

-Ganho de eficiência de aproximadamente 2% a 3%;

-Desacoplamento das potências activa e reactiva do gerador;

-Implementação do controlo do factor de potência, pois o conjunto gerador de indução e inversor operam basicamente como um gerador síncrono. O inversor fornece a potência de excitação para a máquina de indução.

No caso do gerador síncrono acoplado directamente ao eixo do gerador eólico, o mesmo é completamente desacoplado da rede eléctrica por um dispositivo electrónico conectado aos enrolamentos do estator. O gerador síncrono é excitado usando um enrolamento de campo ou ímãs permanentes. Este sistema tem como principal vantagem

dispensar o uso da caixa multiplicadora, por outro lado apresenta algumas desvantagens, tais como:

-O inversor deve ser dimensionado para suportar a potência total do sistema; -Como consequência a eficiência do inversor vai afectar a eficiência total do sistema. Os aerogeradores são normalmente caracterizados pela orientação do eixo do rotor: vertical e horizontal. Apesar de os geradores eólicos de eixo vertical terem as grandes vantagens o facto de o gerador estar na base e de poder captar os ventos sem nenhum mecanismo de orientação, os geradores eólicos de eixo horizontal são as mais produzidas e comercializadas. Poucos são os aerogeradores de eixo vertical que se encontram disponíveis comercialmente.

2.6.1.1. Aerogeradores de Eixo Vertical

Os aerogeradores de eixo vertical têm a vantagem de não necessitarem de mecanismos para variações em função da direcção do vento, o que reduz a complexidade do projecto. Estes também podem ser movidos por forças de sustentação (lift) e por forças de arrasto (drag). Os principais tipos de rotores de eixo vertical são Darrieus e Savonius. Os rotores do tipo Darrieus são movidos por forças de sustentação e constituem-se de lâminas curvas (duas ou três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo vertical. Apesar de os aerogeradores com eixo vertical existirem há séculos, não são menos comuns, devido ao facto de aproveitarem menos as velocidades altas dos ventos em grandes elevações e à sua incapacidade de auto-arranque necessitando de meios externos de auxílio.

Figura 2.17 - Aerogerador Darrieus e Savonius, respectivamente15

2.6.1.2. Aerogeradores de Eixo Horizontal

Os rotores de eixo horizontal são os mais explorados mundialmente na produção de energia eólica. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de forças de sustentação

15 _{Imagens retiradas de http://www.bellera.org/molins/aerogeneradors_darrieus.htm e}

(lift) e forças de arrasto (drag). Os projectos das pás deste tipo de rotores, beneficiaram da tecnologia das asas dos aviões, que têm o mesmo princípio de funcionamento. Ambas as forças aerodinâmicas que actuam nas pás do rotor são proporcionais ao quadrado da velocidade relativa do vento. Adicionalmente, as forças de sustentação dependem da geometria do corpo e do ângulo de ataque16_.

Os rotores de eixo horizontal ao são predominantemente movidos por forças de sustentação e devem possuir mecanismos capazes de permitir as pás estejam sempre em posição perpendicular ao vento. Estes rotores podem ser constituídos de uma pá e contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás. As pás podem ser dos mais variados materiais e ter as mais variadas formas. Em geral, utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou fibra de vidro reforçada. Os rotores mais utilizados para geração de energia eléctrica são os de eixo horizontal (tipo hélice), ultimamente compostos de 3 pás. A Figura 2.18 ilustra um gerador eólico de grande porte.

Figura 2.18 - Aerogerador de 3 pás e eixo horizontal17