Outros Tópicos em Usinas Eólicas
Conexão com a Rede
Impacto Ambiental
Proteção, Aterramento e Fundação
Proteção, Aterramento e Fundação
Planejamento de Sistemas Elétricos de Potência
Eduardo Fabro
Conexão com a Rede
Cuidados com a Conexão
As Linhas de Transmissão
O Armazenamento de Energia
O Armazenamento de Energia
A Potência de Curto-Circuito
O Custo de Transmissão Elétrica
O Nível de Compartilhamento Eólico da Energia
A Qualidade da Energia Elétrica
Cuidados com a Conexão
rápida desconexão do gerador, no caso de a tensão ou frequência da rede
exceder ou cair certos limites
compensação para potência reativa
conexão do gerador de indução apenas na faixa de aproximadamente 95% a
105% da velocidade de sincronia
As Linhas de Transmissão
As Linhas de Transmissão
Fatores para determinação de conexão, equipamento e custo:
a) distância da turbina a rede a) distância da turbina a rede
b) capacidade de tensão e transmissão da rede
c) controle de potência e equipamento elétrico na turbina
d) requisitos técnicos do uso das estações de
energia em paralelo com a rede
As Linhas de Transmissão
turbinas são ligadas em paralelo
geram 380 V e 690 V que são elevadas através de um transformador
tensão elevada é entregue a uma subestação onde sofre segunda subestação onde sofre segunda elevação até valor de transmissão
valor de transmissão é entregue no ponto de conexão
não é feita segunda elevação em casos de energia entregue direto a rede ou
em parques de menor potência
As Linhas de Transmissão
são instalados em áreas com bons ventos, normalmente em áreas remotas
limites térmicos dos condutores, tensão e transitórios restringem capacidade de transmissão em situações extremas
extremas
limite térmico: temperatura acima da qual o material começa a amolecer (normalmente 50º a 100º C)
dependendo do tipo de material, tempo de uso, geometria
limite térmico da capacidade de condução depende da temperatura ambiente, velocidade do vento,
radiação solar, condições da superfície do condutor e
altura acima do nível do mar
As Linhas de Transmissão
O Armazenamento de Energia
A Potência de Curto Circuito
fator que determina a habilidade da rede de absorver distúrbios
Propriedades básicas:
Potência aparente de curto circuito:
Potência aparente de curto circuito:
Relação de curto circuito:
*taxa que reflete a rigidez
de uma rede
A Potência de Curto Circuito
Propriedades básicas:
Ângulo de impedância de curto circuito :
Tensão na carga em estado estacionário:
Tensão na carga em estado estacionário:
*através da qual é possível estimar se a tensão na
carga está ou não dentro
dos limites especificados
A Potência de Curto Circuito
a frequência de um sistema é proporcional a velocidade de rotação dos geradores
síncronos
Integração com a rede
geradores no mesmo sistema AC estão sincronizados
o aumento da carga no sistema tende a
diminuir a velocidade dos geradores e a
frequência
A Potência de Curto Circuito
Integração com a rede
Scc – potência de curto circuito
Uk – tensão nominal no ponto
Ze – impedância equivalente entre os pontos considerados
S – potência elétrica aparente
f – fator de segurança
In – corrente nominal
se a impedância é pequena, as variações também são, é dito que a rede é forte
caso a impedância seja grande, as variações são grandes, é dito que a rede é fraca
In – corrente nominal
A Potência de Curto Circuito
Integração com a rede
Uc – nível de tensão no ponto de conexão, em regime estacionário
A Potência de Curto Circuito
Fatores considerados no projeto de um parque eólico:
a) Compensação apropriada de energia reativa b) Reforço da rede
c) Uso de turbinas eólicas com saída controlável de potência
Redes Fracas e Redes Fortes
Os valores da tabela costumam ser usados para pequenos parques eólicos (50 MW ou sistemas isolados)
Para grandes é necessária uma análise, levando em conta os
ângulos de impedância
O Custo de Transmissão Elétrica
Custo para entregar uma unidade de
energia (kWh) do parque eólico a rede.
EE – energia entregue (MWh)
Ep – energia produzida (MWh)
P – perdas (%)
U – não disponibilidade (%)
O Nível de Compartilhamento Eólico de Energia
Na Europa, o sistema de energia é conectado internacionalmente e é dividido em:
a) Estações Básicas: com alta capacidade, operando com carga nominal
Estratégias Operacionais e as Questões de Controle
operando com carga nominal
b) Estações de Média Carga: operadas e controladas de acordo com a curva de
demanda da necessidade diária prevista
c) Estações de Pico: para compensar
variações de curto prazo na carga da rede
A Qualidade de Energia Elétrica
A Qualidade de Energia Elétrica
A Qualidade de Energia Elétrica
Fórmula do fator de potência:
*forma de se medir o nível de “poluição elétrica”
fator de potência eólico é geralmente maior que 96%
geradores assíncronos de velocidade constantes costumam ser compensados por bancos de
capacitores capacitores
geradores de velocidade variável são conectados a
rede por um conversor de frequência (AC-DC-AC) e
têm os reativos controlados por um inversor
A Qualidade de Energia Elétrica
São causadas por turbinas eólicas devido a:
-rajadas
-efeitos de sombra na torre
Variação de tensão é o desvio da tensão RMS da tensão durante um curto período de tempo.
As Variações de Tensão
tensão durante um curto período de tempo.
Todo e qualquer tipo de turbina eólica causa variação de tensão na rede, que pode ser calculada via
softwares ou analiticamente:
A Qualidade de Energia Elétrica
Para uma taxa de curto circuito constante:
-uma baixa X/R aumentará a tensão no ponto de conexão
-uma alta X/R diminuirá a tensão no ponto de conexão
As Variações de Tensão
conexão
A Qualidade de Energia Elétrica
medida normalizada da mudança de tensão devido a operação de
comutação na turbina eólica
Fator de Mudança de Tensão
comutação na turbina eólica
Ku é similar ao valor do fator da
corrente de partida Ki
A Qualidade de Energia Elétrica
é uma redução brusca da tensão, seguido de seu restabelecimento após um curto período de tempo
IEC: voltage dip, restabelecimento entre 0,5 ciclo e
Afundamento da Tensão
IEC: voltage dip, restabelecimento entre 0,5 ciclo e alguns segundos
IEEE: voltage sag, decréscimo entre 10 e 90% do valor da tensão nominal, com duração de 0,5 ciclo e 1 minuto
no Brasil é considerado para valores abaixo de 90%
A Qualidade de Energia Elétrica
Principais causas:
abertura de chaves e religadores em subestações
problemas causados por fenômenos
Afundamento da Tensão
problemas causados por fenômenos naturais
falha de um equipamento em
sobrecarga, em que o sistema de proteção atua no desligamento da alimentação
partida de motores de grande carga
A Qualidade de Energia Elétrica
Os tipos de afundamentos são associados aos tipos de curto-circuito:
curto trifásico: entre as três fases ou entre as fases e o terra (5%)
Afundamento da Tensão
fases e o terra (5%)
curto monofásico: entre fase e terra ou entre fase e neutro (80 e 15%)
curto bifásico: entre duas fases ou duas fases
e a terra
A Qualidade de Energia Elétrica
Avaliação da súbita mudança de tensão:
dispositivo para controle: FACTS (sistema de transmissão flexível em corrente alternada)
Afundamento da Tensão
transmissão flexível em corrente alternada) Harmônicos
não contribuem para a entrega de energia útil
causam aquecimento de motores, erros na medição
de energia elétrica, sobrecarga de capacitores
A Qualidade de Energia Elétrica
Costuma-se analisar o desempenho de um sistema para cada harmônico separadamente e posteriormente sobrepor os resultados:
Fator de Distorção de Harmônica Total:
Afundamento da Tensão
A Qualidade de Energia Elétrica
é útil em comparar a qualidade da alimentação AC em vários pontos de um mesmo sistema de potência ou entre sistemas de potências
quanto maior o THD, mais distorcida é a onda
Afundamento da Tensão
quanto maior o THD, mais distorcida é a onda senoidal, resultando em maior perda I²R
Correntes Harmônicas
Harmônicos de Tensão
A Qualidade de Energia Elétrica
flicker (cintilação) é a variação de velocidade da
turbina devido a flutuações nas condições do vento, que causa uma impressão subjetiva da variação de densidade de luz das lâmpadas
Flickers
densidade de luz das lâmpadas
valores inconvenientes para o olho humano são de 8 a 10 Hz
pode causar desde desconforto visual, dor de cabeça
e dificuldades de raciocínio até disfunção neurológica
A Qualidade de Energia Elétrica
flicker de sombra é o efeito estroboscópico do aspecto da sombra das pás em rotação quando o sol está atrás delas
valores que podem causar distúrbios são de 2,5 a 20 Hz, sendo que frequências de 15 a 20 Hz podem até
Flickers
Hz, sendo que frequências de 15 a 20 Hz podem até levar a convulsões epilépticas
10% da população adulta e 30% da de crianças são sensíveis a alguma variação de luz nessas frequências
pás modernas giram a 35 rpm que equivale a 1,75 Hz
existem softwares para controle e desligamento das turbinas
existem regiões do planeta onde as altas latitudes e
baixo ângulo do sol, fazem do flicker de sombra um
problema sério
A Qualidade de Energia Elétrica
Segundo a IEC, os níveis de atuação dos flickers podem ser quantificados pelos indicadores de curta (Pst, 10 minutos) e longa duração (Plt, 2 horas).
Flickers
O Pst pode ser calculado segundo as seguintes
equações:
A Qualidade de Energia Elétrica
Para diminuição do flicker em parque eólico adota-se:
a) Potência de curto circuito grande no
Flickers
a) Potência de curto circuito grande no ponto de conexão do parque eólico
b) Uso de conversores na conexão à rede da turbina eólica
c) Uso de turbinas eólicas com
velocidade variável
A Qualidade de Energia Elétrica
é a medida normalizada da emissão máxima de uma turbina eólica em operação contínua:
Coeficiente de Flicker
ele é fornecido pelo fabricante da máquina
é dependente da velocidade anual dos ventos no local de instalação das turbinas e do ângulo de
impedância equivalente de curto circuito da rede no ponto de conexão
é recomendado o uso de seu pior valor
A Qualidade de Energia Elétrica
Pode-se usar o valor do coeficiente de flicker para calcular o nível de emissão de flicker:
E para N turbinas:
Coeficiente de Flicker
Os níveis de referência para nível de emissão:
Pst = Plt <= 0,9 para tensões entre 1 kV e 35 kV
Pst = Plt <= 0,3 para tensões maiores que 35 kV
Quando ocorres comutação, os níveis de tensão e flicker dependem:
do nível de tensão em que o parque eólico está conectado
da frequência com que as manobras ocorrem
da potência dos geradores eólicos
A Qualidade de Energia Elétrica
Para determinar o nível de emissão de flicker devido as operações de chaveamento:
Fator de Passo do Flicker
Os níveis de referência para Pst e Plt são:
Pst <= 0,9 e Plt <= 0,7 para tensões entre 1 kV e 35 kV
Pst <= 0,3 e Plt <= 0,2 para tensões maiores que 35
kV
A Qualidade de Energia Elétrica
flutuações do vento em linhas de transmissão
chaveamento do gerador eólico em velocidades do vento em torno da velocidade de partida
operações de comutação
flutuações aerodinâmicas na potência, por causa do
Causas do Flicker
flutuações aerodinâmicas na potência, por causa do efeito da sombra na torre
variações na potência devido a rajadas e gradiente do vento
vibrações na turbina devido a erros no controle de passo
oscilações no conjugado da turbina devido a
variação natural do vento e ao peso das pás
A Qualidade de Energia Elétrica
na partida de um gerador eólico, a corrente transitória alcança 7 vezes o valor de regime
num parque, todos os transitórios se somam Tensões Transitórias
também ocorrem transitórios na comutação de dois geradores de diferentes potências nominais
é necessário controle para evitar a
simultaneidade das energizações
A Qualidade de Energia Elétrica
antigamente todas as turbinas eólicas eram desligadas por qualquer perturbação na rede
isso era feito para evitar ilhamento ou perda de rede (loss of grid ou loss of mains)
A Suportabilidade a Faltas (Fault RideThrogh)
(loss of grid ou loss of mains)
eram usados relés que respondiam a qualquer incidente
porém, caso disparassem em bloco, grande parte da
energia eólica seria desconectada criando escassez
na geração
A Qualidade de Energia Elétrica
foi criado o requisito FRT (fault-ride through), que é a
capacidade de um sistema para suportar afundamento de tensão
determinam valores temporais mínimos que os parques devem continuar em operação, normalmente permitindo a
A Suportabilidade a Faltas (Fault RideThrogh)
continuar em operação, normalmente permitindo a desconecção em um afundamento de 10 a 20%
há códigos que exigem que os geradores eólicos injetem
correntes reativas na rede durante o afundamento para manter determinado nível de tensão
não existe uma normatização internacional, já que cada país
tem características próprias em seu sistema com regulação
particular
A Suportabilidade a Faltas no Brasil
Os Procedimentos de Rede no Brasil
Os Procedimentos de Rede no Brasil
Tipo I – programação e despacho centralizados
Tipo II – programação centralizada e despacho não centralizado Tipo III – programação e despacho não centralizados (usinas
não classificadas nos casos anteriores)
A Qualidade de Energia Elétrica
não classificadas nos casos anteriores)
Impacto Visual
Impacto Sonoro – Emissão de Ruído
O Impacto nas Aves
Impacto Devido a Interferência com
Impacto Ambiental
Impacto Devido a Interferência com Ondas de Rádio e TV
Impactos em Sítios Arqueológicos
Análise Crítica Ambiental
O Outro Lado da Moeda
Impacto Visual
Impactos:
tipo de paisagem
cores das torres
número de turbinas
quantidade de torres design das turbinas
design das turbinas
Para minimizar os efeitos:
pintar turbinas com a mesma cor da paisagem
manter distância mínima dos parques em relação as residências (500 m)
atentar a posição do sol e efeito cíclico
Impacto Sonoro – Emissão de Ruído
sons inferiores a 20 Hz (infrassons)
causam náuseas e dores de cabeça
limite da audição humana é 0 dB, valores acima de 60 dB causam
irritações e a partir de 100 são
prejudiciais
Impacto Sonoro – Emissão de Ruído
o ouvido humano é mais sensível a sons em torno de 1000 Hz
ruído de parques eólicos depende da velocidade dos ventos, dos tipos de sistema, do número de turbinas e das
características do local médias típica de 103 dB
A Física do Ruído
médias típica de 103 dB
Existem duas principais fontes de ruído em uma turbina eólica:
mecânica e aerodinâmica
Impacto Sonoro – Emissão de Ruído
é gerado pelo maquinário na nacele principalmente pela caixa de engrenagens e do gerador
existem duas categorias:
– quando é diretamente radiado na atmosfera
– quando é devido as vibrações propagadas através dos elementos de transmissão para a nacele e torre (principal causa do ruído)
O Ruído Mecânico
de transmissão para a nacele e torre (principal causa do ruído)
os ruídos na caixa de engrenagens são causados por um erro da malha do sistema conversão-transmissão
há também diferenças entre tipos de engrenagens:
helicoidais são menos ruidosas que as retas
uma maior redução de ruído é
alcançada com o isolamento
acústico da nacele
Impacto Sonoro – Emissão de Ruído
fenômeno ainda não muito compreendido
existem métodos semiempíricos para previsão do ruído usados em acústica computacional
é o principal ruído das turbinas
O Ruído Aerodinâmico
Categorias de ruído aerodinâmico:
i) De frequência: da interação da pá com a torre e o cisalhamento do vento
ii) De fontes autoinduzidas:
geradas pelo aerofólio
iii) De ruídos de turbulência de escoamento de aproximação:
devido a turbulência atmosférica
Impacto Sonoro – Emissão de Ruído
Não existe um único padrão de ruído
internacional comum para os níveis de pressão sonora, mas costumam haver
A Legislação e os Valores Praticados do Ruído
pressão sonora, mas costumam haver
regulamentos de limites superiores de
pressão sonora as quais as pessoas
podem ser expostas, variando de país
para país e por horário.
O Impacto nas Aves
Principais pontos ambientais analisados:
a) Os efeitos sobre populações de pássaros das mortes provocadas por turbinas eólicas b) A violação de trajetórias de migração de
pássaros
O desenvolvimento eólico afeta os pássaros alterando seu habitat de migração, colisões e eletrocussões
Porém podem também trazer benefícios
como proteção da terra contra mais perdas
de habitat e proteção de pássaros contra
perseguição indiscriminada
O Impacto nas Aves
estudos mostram que morcegos em comportamento migratório estão sendo mortos por turbinas eólicas em um quantidade sem precedentes
não se sabe o motivo desse fenômeno e não existem programas de monitoramento em escala continental de avaliação de acidentes com morcegos
Acidentes com Morcegos
com morcegos
morcegos são predadores de insetos noturnos, estudos dizem que uma colônia de 150 morcegos no estado americano de Indiana comeu aproximadamente 1,3 milhão de insetos em um único ano
acreditasse que a morte de morcegos possa causar um prejuízo
agrícola de mais de U$3,7 bilhões por ano, podendo atingir U$53
bilhões anuais, por serem os predadores naturais de muitas pragas
agrícolas
Impacto Devido a Interferência com Ondas de Rádio e TV
A interferência com os sinais de TV pode ser atribuída a:
a) O sinal direto da estão de TV pode ser perturbado pelo giro das pás se a turbina eólica estiver posicionada diretamente em linha com o receptor b) A interferência causada pela turbina refletir o sinal.
Esse problema está relacionado a topografia individual de cada local, assim como o desenho das pás do rotor que consistem parcial ou assim como o desenho das pás do rotor que consistem parcial ou totalmente de aço.
Para resolução desses problemas adotam-se pás de fibras de vidro ou
madeira, o simples alinhamento das antenas já resolvia o problema, ou até a instalação de um pequeno retransmissor.
Os efeitos das turbinas mas transmissões são mínimos e somente
aplicáveis baixas distâncias (da ordem de dezenas de metros), porém há problemas quanto a interferência em radares para controle de tráfego aéreo e civil, situação que ainda não tem solução.
Impactos em Sítios Arqueológicos
Análise Crítica Ambiental
A fabricação das turbinas eólicas e seu processo de eliminação causam impactos ambientais, que devem ser considerados
O EACV foi criado para determinar e quantificar as
O EACV foi criado para determinar e quantificar as emissões relacionadas e o impacto da tecnologia de produção de energia eólica, assim como para definir o chamado tempo de retorno energético (payback time) que é o tempo de uso necessário para pagar pela energia gasta na fabricação da unidade,
entretanto, os resultados apresentam algumas
incertezas que precisam ser consideradas e
avaliadas
O Outro Lado da Moeda
Há diversos movimentos que se opõem a instalação de turbinas eólica, tendo
como principais alegações:
impactos ambientais
ganho financeiro
questões de saúde
O Outro Lado da Moeda
NIMBY – “Not In My Backyard” ou “Não no meu quintal”
Fenômeno de oposição de residentes a projetos de desenvolvimento próximos a eles.
Fenômeno “NIMBY”
desenvolvimento próximos a eles.
Como principais motivos:
alteração de áreas com valor paisagístico
diminuição do valor econômico de residências
questões de saúde como “A Síndrome da Turbina
Eólica”
Vídeos
Impactos ambientais de usinas eólicas:
https://www.youtube.com/watch?v=6UY58qSu-C8
Impacto de usinas eólicas sobre peixes
https://www.youtube.com/watch?v=Oz-RKXZIa1c
Proteção Contra Raios
Aterramento
Proteção, Aterramento e Fundação
Aterramento
Fundação
Proteção Contra Raios
o Brasil é o país com maior incidência de descargas atmosféricas no mundo, sendo 50 milhões por ano
a maioria atinge a ponta da pá
o sistema de proteção consiste num receptor consiste num receptor
localizado na ponta da pá, uma peça de metal
aparafusada e facilmente
trocável, dentro da qual
existe um fio metálico que
conecta o receptor a uma
fita metálica flexível do
cubo ao sistema de
aterramento da turbina
Proteção Contra Raios
O relâmpago é um fenômeno natural com duração de 0,5 segundos e comprimento de 5 a 10 km de extensão, podendo
ocorrer:
da nuvem para o solo (positiva ou negativa)
do solo para a nuvem
dentro da nuvem
dentro da nuvem
entre nuvens
de uma nuvem para um ponto de ar O impacto com uma turbina eólica pode
ocorrer:
de ação descendente
de ação ascendente
Proteção Contra Raios
Tipos de proteção contra raios em turbinas eólicas:
sistema de captação aérea nas pás
fitas de alta resistência e desviadores
condutores instalados dentro das pás
material condutor na superfície das pás
Zonas de Proteção:
Zona de proteção 0A: quando a ação de um raio direto é possível
Zona de proteção 0B: quando a ação de um raio direto é impossível
Zona de proteção 1: quando a ação de um raio direto é impossível
Zona de proteção 2: como na zona 1
Proteção Contra Raios
Proteção Contra Raios
Não há instalação de parques eólicos em nenhuma das
cidades citadas acima
Aterramento
tipicamente disposto em forma de anel ao redor da base da fundação
geralmente acrescentados eletrodos verticais e horizontais para alcançar baixa resistência de aterramento, baixa tensão de passo e
tensão de toque
tensão de toque
A Fundação
é determinada pelo tamanho da turbina eólica e pelas condições locais do terreno
o fator determinante é a maior
velocidade do vento, assim como o tipo de turbina
outro caso a se verificar é o de elevadas cargas durante a
elevadas cargas durante a
operação, onde o máximo momento de inclinação para a fundação é
determinado pelo empuxo do rotor
