Sistemas de Geração Eólica

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1

Sistemas de Geração Eólica

Prof. Romeu Reginato Outubro de 2010

2

Cronograma

• Aula 1. Panorâma de geração eólica

– 22/11

• Aula 2. Operação de sistemas de geração eólica – 29/11

• Aula 3. Tecnologias de geração eólica

– 06/12

• Aula 4. Modelagem de sistemas de geração eólica

– 13/12

3

Visão básica da tecnologia

4

Evolução das turbinas eólicas

Adaptado de: Molly, J.P.; Global Renewable Energy Forum; Foz do Iguaçu, 2008.

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Torre

Turbina Eólica

Pás da Turbina

6

Estrutura de um aerogerador

Fonte: Tarnowski, 2006.

Nacele

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7 Wind Power; Power House; http://www.powerhousetv.com

Orientação da turbina Ajuste do ângulo de passo das

pás

8

Diagrama Esquemático Sistema de Geração Eólica

Gerador

Conversor estático

Conexão ao sistema elétrico

Turbina Engrenagem amplificadora Energia

Eólica

Energia Elétrica

9

O Vento

10

Velocidade do vento

• Ventos aproveitáveis – ventos de superfície

• Variáveis

– Larga escala. Latitude e insolação – regiões mais ventosas que outras.

– Região climática. Proporção terra e mar, montanhas x planícies, tipo de vegetação.

– Locais. Topografia, obstáculos.

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Velocidade do vento

• Características temporais

– Variações ao largo de décadas – influências climáticas

– Variações anuais – um ano para outro

– Variações sazonais (estações do ano) - mais fáceis de caracterizar

– Variações diuturnas (dia x noite) – Turbulências

12

Espectro Frequencial Típico da Velocidade do Vento

Fonte: Burton, Wind Energy Handbook, 2001.

(3)

13

Espectro Frequencial Típico da Velocidade do Vento

Fonte: Burton, Wind Energy Handbook, 2001.

Velocidade Média

Turbulência

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Caracterização da velocidade do vento

• Velocidade média Vm

• Turbulência v

v V V

_w

=

_m

+

15

v V V

_w

=

_m

+

ia turbulênc -

média e velocidad -

v V

_m

Caracterização da velocidade do vento

• Velocidade média – vento útil, aproveitável para geração eólica

• Turbulência – variações rápidas de ventos, perturbações, induzem variações indesejáveis na potência gerada

16

Exemplo: Velocidade de vento Local: Vindeby, Dinamarca

Fonte: Tarnowski, 2006

17

Exemplo: Velocidade de vento Velocidade máxima diária

0 100 200 300 400 500 600

0 5 10 15 20 25 30

dia

v(m/s)

18

Caracterização da velocidade do vento Turbulência

• Flutuações de velocidade de vento relativamente rápida (inferiores a 10min)

• Exemplo: Rajadas de vento

• Fenômeno complexo de modelar

• Modelagem

– Natureza randômica/aleatória

– Distribuição gaussiana, média 0, variância σ

– Intensidade: I =

σ / V_m

(4)

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Caracterização da velocidade do vento Velocidade Média

• Variações sazonais

– ao longo de um ano

• Variações sinópticas

– ciclos de aproximadamente 4 dias – relação com variações de pressão (global)

• Variações diuturnas

– ciclos de 24h

– variações locais de temperatura

20

Caracterização da velocidade do vento Velocidade Média

• Variações sazonais – Distribuição de Weibull

k mC V k m

m e

C V C V k

f ⁽ ^/ ⁾

1

) (

−



 



= 

( )

( ^m ^s )

V

s m C

k

m

- velocidad e do vento / / escala de fator -

forma de fator -

21

Caracterização da velocidade do vento Distribuição de Weibull

Distribuição de Probabilidade da velocidade de vento

0 5 10 15 20 25 30

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

v (m/s)

Distribuição de probabilidade

22

Caracterização da velocidade do vento Distribuição de Weibull

0 5 10 15 20 25 30

0 5 10 15

Velocidade em m/s

Probabilidade de Ocorrência em %

Verão Outono Inverno Primavera

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Caracterização da velocidade do vento Vento simulado

Velocidade média = 0.8 pu Intensidade de turbulência = 11%

24

Caracterização da velocidade do vento

Comparação – real x simulado

(5)

25

Potência disponível no vento

3

2 1

w

A V

P = ρ

( ^m ( ) ^s )

V

m A

m Kg

w

- velocidad e do vento / pás pelas coberta área -

) / ( ar do densidade -

2

ρ

3

26

Caracterização da velocidade do vento Densidade de potência do vento

0 5 10 15 20 25 30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Velocidade em m/s

Densidade de Potência em W/m2

27

Caracterização da velocidade do vento Densidade de potência do vento

0 5 10 15 20 25 30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Velocidade em m/s

Ventos mais frequentes, mas pouco intensos

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Caracterização da velocidade do vento Densidade de potência do vento

0 5 10 15 20 25 30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Velocidade em m/s

Ventos fortes, mas pouco frequentes Ventos mais

frequentes, mas pouco intensos

29

Potência capturada pela turbina

3

2 1

w p w

p

t

C P A C V

P = = ρ

( )

( ^m ^s )

V C

m A

m Kg

w p

/ vento do e velocidad -

potência de

e coeficient -

pás pelas coberta área -

) / ( ar do densidade -

2

ρ

3

30

Potência capturada pela turbina

3

2 1

w p w

p

t

C P A C V

P = = ρ

( )

( ^m ^s )

V C

m A

m Kg

w p

/ vento do e velocidad -

potência de

e coeficient -

pás pelas coberta área -

) / ( ar do densidade -

2

ρ

3

(6)

31

Potência de uma Turbina E Potência de uma Turbina Eó ólica lica

Velocidade do vento

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Turbina Eólica

• Coeficiente de potência. Traduz quanto da energia disponível no vento é capturável.

) , ( λ ϕ f C

_p

=

turbina da pás das passo de ângulo -

turbina da angular e velocidad -

turbina da pás das o compriment -

es velocidad de

Relação -

ϕ

ω λ ω

 

 



=

t w

t

R

V R

(coeficiente de potência)

33

Relação de velocidades (tip speed ratio)

• Grande parte da energia capturada do vento ocorre próximo a ponta das pás

w t w p

V R V

V ω

λ= =

34

Comportamento do coeficiente de Comportamento do coeficiente de potência (t

potência (tí ípico pico – – Turbina de 3 p Turbina de 3 pá ás) s)

C_p(

λ

,

ϕ

)

w t

RVω λ=

Ângulo de passo das

pás

35

Comportamento de C

_p

para diferentes turbinas

36

Coeficiente de potência

• Varia com λ, a relação de velocidades da turbina pela velocidade do vento.

• Varia com o ângulo de passo das pás φ.

• Sempre menor que 0.59 (Limite de Betz)

(7)

37

Coeficiente de potência

• Para cada ângulo de passo das pás, existe um valor de λ que maximiza C

_p

• Para cada velocidade de vento há um valor de velocidade da turbina que maximiza C

_p

• Maximizar C

_p

significa extrair o máximo da potência disponível no vento

38

Maximiza

Maximizaç ção do Coeficiente de Potência ão do Coeficiente de Potência

C_p(

λ

,

ϕ

)

w t

RVω λ=

Valor máximo

Lambda ótimo

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Maximiza

Maximizaç ção do Coeficiente de ão do Coeficiente de Potência

Potência

• Fixa-se o melhor ângulo de passo das pás

φ=0.

• Escolhe-se

λ= λ

opt

• Velocidade da turbina fica amarrada à velocidade do vento

w opt t

w t w

p

V

R V

V ω ω λ

λ = = ⇒ = ¹

40

Maximiza

Maximizaç ção do Coeficiente de ão do Coeficiente de Potência

Potência

3 3

2 1

w opt w MAX p w

MAX p

t

C P A C V K V

P = = ρ =

• Potência na turbina resulta proporcional ao cubo da velocidade do vento

• Velocidade da turbina fica proporcional a velocidade do vento

41

Maximiza

Maximizaç ção do Coeficiente de ão do Coeficiente de Potência

Potência

3 3

2 1

w opt w MAX p w

MAX p

t

C P A C V K V

P = = ρ =

• Potência na turbina resulta proporcional ao cubo da velocidade do vento

• Velocidade da turbina fica proporcional a velocidade do vento

Maximum Power Point Tracking MPPT

42

Maximum

Maximum Power Power Tracking Tracking

Velocidade do vento

3 2 3

w t op

otima K KV

P =

ω

=

Potência máxima para cada velocidade

de vento

(8)

43

Potência da turbina

• A potência da turbina depende da velocidade do vento e da velocidade da turbina.

• Para cada velocidade de vento, há uma velocidade da turbina que maximiza a potência da turbina – a variação da velocidade da turbina permite

maximizar a potência da turbina para cada velocidade de vento.

44

Tipos de Turbinas Eólicas

• Velocidade fixa

– Velocidade da turbina é praticamente a mesma, independentemente da velocidade do vento.

• Velocidade variável

– Velocidade da turbina varia razoavelmente com a velocidade do vento.

• Faixa limitada

• Faixa ampla

45

Compara

Comparaç ção de potências: Turbinas de ão de potências: Turbinas de

velocidade fixa e vari

velocidade fixa e variá ável para uma dada vel para uma dada

velocidade de vento

Potência para turbina de velocidade variável

Potência para turbina de velocidade fixa

46

Operação de Aerogeradores

47

Curva Típica de Potência

Turbina Enercon, 2MW

0 5 10 15 20 25 30

0 500 1000 1500 2000 2500

Potência em kW

Velocidade em m/s 48

Região de operação da turbina

• Cut-in speed. Velocidade mínima de vento para que se possa produzir energia elétrica.

• Cut-off speed. Máxima velocidade de operação da turbina (limite de segurança).

• Turbinas eólicas tipicamente operam em

velocidades de vento na faixa de 3 a 4m/s até

15 a 20 m/s.

(9)

49

Curva Típica de Potência

Turbina Enercon, 2MW

0 5 10 15 20 25 30

0 500 1000 1500 2000 2500

Potência em kW

Velocidade em m/s

Cut-off speed

Cut-in speed ⁵⁰

Curva Típica de Potência

Turbina Enercon, 2MW

0 5 10 15 20 25 30

0 500 1000 1500 2000 2500

Potência em kW

Velocidade em m/s

Cut-off speed

Cut-in speed

Região de potência constante/limitada

51

Curva Típica de Potência

Turbina Enercon, 2MW

0 5 10 15 20 25 30

0 500 1000 1500 2000 2500

Potência em kW

Velocidade em m/s

Cut-off speed

Cut-in speed

Região de potência constante/limitada

Região de potência variável (controle/regulação)

52

Operação de turbina de velocidade fixa

Cut-in speed Cut-off speed

P=cte ω_tvariável

) 3

, ( 5 .

0 p w

t

V AC P

cte ϕ λ ρ ω

=

53

Operação de turbina de velocidade variável

P=cte C_pvariável

w t p

V cte C

∝

= ω

54

Potência de uma turbina de velocidade variável

Região de potência ótima

Potência nominal

Potência zero

(10)

55

Região de operação da turbina

• Cut-in speed. Potência gerada nesta velocidade é próxima de zero.

• A potência nominal do aerogerador é produzida para uma velocidade de vento de projeto e na velocidade nominal da turbina.

• Para velocidades de vento acima da nominal, a potência gerada é mantida constante.

Neste caso, a potência disponível no vento não é aproveitada .

56

Região de potência constante

• Controle stall passivo. Turbina projetada para perder eficiência para ventos fortes, limitando a potência gerada.

– Pás são fixas no rotor.

– Barato e simples.

– Não permite partidas assistidas.

• Controle stall ativo. Limita a potência de maneira similar ao stall passivo. de maneira a controlar o stall.

– Ângulo das pás pode ser ajustado.

– Partidas assistidas e paradas de emergência.

• Controle pitch. Limitação de potência pelo ângulo das pás, em sentido inverso ao stall.

– Partidas assistidas e paradas de emergência.

– Sensível a flutuações de vento para velocidades elevadas.

57

Efeito Stall

laminar stall

• Criam-se vórtices no fluxo do vento próximo da pá reduzindo a força transferia à pá

• Depende da velocidade do vento e do ângulo da pá

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Turbina Eólica - Torque

• Torque da turbina:

t w w

T P

= ω

t w p w

C V A

T ρ ω

³

2 = 1

2 t op otimo

K

T = ω

Torque ótimo:

59

Sumário das Características Operativas

• São aproveitados ventos de 3 a 20 m/s (tipicamente)

• Ventos de 7 a 12 m/s são os mais desejados (otimização da potência capturada)

• Ventos variam em:

– Velocidade média – Turbulência

60

Sumário das Características Operativas

• Potência ativa gerada é função não-linear da:

– Velocidade do vento – Velocidade da turbina

– Ângulo de passo das pás da turbina

• Variação de velocidade média – variação da potência ativa gerada

– Fator de capacidade – Coordenação de geração

• Turbulência - flutuações de potência ativa

– Flicker

(11)

61

Sumário das Características Operativas

• Região de potência variável

– MPPT – otimização da captura de potência disponível no vento (velocidade variável) – Produz a potência que resultar do vento

disponível (velocidade fixa) – Ângulo de passo das pás é nulo

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Sumário das Características Operativas

• Região de potência constante

– Potência limitada à nominal

– Controle stall passivo – Ângulo das pás é fixo, mas turbina perde potência com aumento de velocidade – Controle pitch e stall ativo - Ângulo de passo das pás

é variado conforme velocidade do vento

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