Análise e modelagem de um regulador eletromagnético de velocidade para sistemas de conversão de energia eólica

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UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE

UNIVERSIDADEFEDERAL DORIOGRANDE DO NORTE

CENTRO DETECNOLOGIA

PROGRAMA DEPÓS-GRADUAÇÃO EMENGENHARIAELÉTRICA E DECOMPUTAÇÃO

Análise e Modelagem de um Regulador

Eletromagnético de Velocidade para Sistemas

de Conversão de Energia Eólica

Glauco George Cipriano Maniçoba

Orientador: Prof. Dr. Andrés Ortiz Salazar

Tese de Doutorado apresentada ao Pro-grama de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Automação e Sistemas) como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciências.

Número de ordem PPgEEC: D217

Natal, RN, Abril de 2018

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Maniçoba, Glauco George Cipriano.

Análise e modelagem de um regulador eletromagnético de

velocidade para sistemas de conversão de energia eólica / Glauco George Cipriano Maniçoba. - 2018.

107 f.: il.

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. Natal, RN, 2018. Orientador: Prof. Dr. Andrés Ortiz Salazar.

1. Energia eólica - Tese. 2. Regulador eletromagnética de frequência - Tese. 3. Método de elementos finitos - Tese. I. Salazar, Andrés Ortiz. II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 621.548(043.2)

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

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(4)

Dedico ao meus pais e esposa, que

tanto apoiaram e incentivaram ao

meu crescimento profissional.

(5)

Agradecimentos

A Deus por me guiar e cuidar de tudo em minha vida.

Aos meus pais que depositaram em mim toda credibilidade, confiando e mim apoiando em todas as minhas ações.

Aos meus familiares, sempre prestativos, que contribuíram com um agradável convívio diário.

A Glayce Lanna, minha esposa, pela paciência e apoio empreendido, e pela compreensão dos momentos de ausências.

Ao meu orientador, professor Andrés Ortiz Salazar, pela oportunidade, pela dedicação, ensinamento, paciência, incentivo e compreensão nos momentos mais difíceis.

Aos professores Ricardo Ferreira Pinheiro e Paulo Vitor Silva, por sempre estarem dispo-níveis a ajudar nas dúvidas do projeto.

A Capes e o CNPQ pela ajuda financeira.

Aos meus companheiros de LAMP, pelos momentos de descontração e as troca de ideias, e pelo ótimo ambiente de trabalho.

Ao colega de Projeto, Francisco Elvis, por horas e ajuda nas simulações. A todos os educadores da minha vida acadêmica.

Aos meus colegas, Raul Medeiros e Daniel Patrício, por ajuda nos desenhos do protótipo. Aos amigos e antigos colegas de graduação pelo companheirismo, e pelos momentos de descontração ao longo de minha vida.

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Resumo

Atualmente, o crescente aumento da demanda energética em todo mundo intensifica a busca pelo uso de fontes energéticas limpas e renováveis. Dentro desse panorama, a energia eólica vem se destacando como uma das mais promissoras.

Este trabalho apresenta um estudo sobre uma nova proposta para turbina eólica usando um regulador eletromagnético de frequência (REF). Além disso, o REF pode ser útil em outros sistemas de transmissão onde o controle de velocidade mecânica de saída seja o objetivo.

O objetivo deste trabalho é analisar, por meio de modelagem computacional, usando o Método dos Elementos Finitos, as características do sistema de multiplicação de veloci-dade proposto entre uma turbina eólica e um gerador síncrono. Nesse tipo de sistema é eli-minada a necessidade de sistema de multiplicação mecânico de velocidade, normalmente sofisticados, de alto custo, manutenção frequente e confiabilidade não muito elevada.

O REF também permite eliminar o uso de conversores eletrônicos para estabelecer o acoplamento entre o aerogerador e a rede elétrica, razão pela qual também proporciona a possibilidade de obtenção de geração em corrente alternada.

Palavras-chave: Regulador eletromagnética de frequência, turbina eólica, método de elementos finitos, multiplicador de velocidade.

(7)

Abstract

Nowadays, the growing increase in energy demand worldwide intensifies the search for the use of clean and renewable energy sources. Within this scenario, wind energy has been highlighted with one of the most promising.

This work presents a study about a new proposal for wind turbine using an electromag-netic frequency regulator (FER). In addition, the REF can be useful in other transmission systems where mechanical output speed control is the goal.

The objective of this work is to analyze the characteristics of the proposed speed reduction system between a wind turbine and a synchronous generator. In this type of system eliminates the need for mechanical speed reduction system, usually sophisticated, high cost, frequent maintenance and not very high reliability.

The FER also eliminates the use of electronic converters to establish the coupling between the wind turbine and the grid, which is why it also provides the possibility of obtaining alternating current generation.

Keywords: Frequency electromagnetic regulator,wind turbine, finite element Methods, speed reduction.

(8)

Sumário

Sumário i

Lista de Figuras iii

Lista de Tabelas v

Lista de Símbolos e Abreviaturas vi

1 Introdução 1

1.1 Evolução da Indústria de Energia Eólica . . . 3

1.2 Motivação e Justificativa . . . 7

1.3 Objetivo Geral . . . 8

1.4 Objetivos Específicos . . . 9

1.5 Apresentação e Organização . . . 9

2 Revisão Teórica 11 2.1 Sistemas de Geração Eólica . . . 11

2.2 Componentes de um aerogerador de eixo horizontal . . . 13

2.2.1 Torre . . . 15

2.2.2 Pás, Cubo e Eixos . . . 15

2.2.3 Nacele . . . 16

2.2.4 Mecanismos de Controle . . . 16

2.3 Aerodinâmicos das Pás . . . 18

2.4 Potência Extraída dos Ventos . . . 18

2.5 Sistema de Transmissão Mecânica . . . 21

2.6 Gerador Elétrico . . . 23

2.7 Topologias de Aerogeradores . . . 26

2.7.1 Gerador de Indução com Rotor em Gaiola . . . 27

2.7.2 Gerador Síncrono Multipolar . . . 29

2.7.3 Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG) . . . 30

2.7.4 Topologia Usando o Regulador Eletromagnético de Frequência . . 30

2.8 Perdas em Sistemas Eólicos . . . 38

3 Trabalhos Relacionados 40

(9)

4 Método de Elementos Finitos 44

4.1 Introdução . . . 44

4.2 Método de Elementos Finitos . . . 45

4.2.1 Como funciona o Método . . . 45

4.3 Ferramenta Utilizada . . . 48

5 Modelo do Regulador Eletromagnético 51 5.1 Introdução . . . 51

5.2 Características Físicas . . . 52

5.2.1 Características Elétricas e Construtivas . . . 52

5.2.2 Dimensões . . . 52

5.2.3 Materiais Empregados . . . 53

5.3 Modelo do REF em Elementos Finitos . . . 53

5.3.1 Criação da Malha e da Geometria . . . 54

5.3.2 Malhas e Expansão do Modelo . . . 55

5.3.3 Enrolamentos no Estator . . . 56

5.3.4 Estrutura do Rotor . . . 58

5.3.5 Tipo de Estudo . . . 59

5.4 Identificação de Parâmetros do Modelo Eletromagnético por Método de Elemento Finitos . . . 60

5.4.1 Domínio do Estator . . . 61

5.4.2 Domínio do Rotor . . . 62

5.4.3 Equações Cinemáticas de Acoplamento e Movimento . . . 66

5.5 Análise das Perdas no REF . . . 67

5.5.1 Perdas Joule . . . 68 5.5.2 Perdas no Ferro . . . 68 6 Resultados 69 7 Conclusão 79 7.1 Trabalhos Futuros . . . 80 Referências bibliográficas 81

A Dimensões da Estrutura do REF 87

(10)

Lista de Figuras

1.1 Evolução da potência mundial instalada anualmente de energia eólica de

2001 a 2017 no mundo. . . 5

2.1 Estruturas de Aerogerador Verticais . . . 11

2.2 Principais Componentes de um Aerogerador de Eixo Horizontal . . . 14

2.3 Pás do rotor fixadas no cubo . . . 16

2.4 (a)Vento incidindo em uma turbina eólica (b) Característica de uma pá eólica e do vento incidente na mesma . . . 18

2.5 Variação da velocidade do vento através da área de varredura A. . . 20

2.6 Curva cpcaracterística de uma turbina eólica. . . 21

2.7 Engrenagens Acopladas em Contato Direto . . . 22

2.8 Princípio Básico de um Gerador. Quando: (a) θ = 0o(b) θ = 90o . . . 24

2.9 Curva característica do gerador elétrico para diferentes rotações e curvas características do aerogerador em diferentes velocidades de ventos. . . 26

2.10 Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aero-gerador utilizando um Gerador de Indução com rotor em Gaiola de Esquilo 28 2.11 Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aero-gerador utilizando um Gerador Síncrono Multipolar . . . 29

2.12 Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aero-gerador utilizando um Gerador de Indução Duplamente Excitado . . . 31

2.13 Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um ae-rogerador utilizando o regulador Eletromagnético de Frequência (REF) . . . 32

2.14 Ilustração de uma turbina eólica usando o REF . . . 33

2.15 Imagem Ilustrativa do Protótipo . . . 33

2.16 Vista em Corte da Estrutura Física REF . . . 34

2.17 Vista explodida da Estrutura Física do REF . . . 35

2.18 Diagrama com a Ilustração do Sistema de Referência-REF. . . 36

2.19 Balanço global das perdas observadas nos geradores eólicos do Parque do Camelinho (MG) . . . 39

4.1 Elementos triangulares constituintes da malha . . . 46

4.2 Aumento do número de nós na malha . . . 47

4.3 Etapas do software Computacional . . . 48

5.1 Curva de Magnetização e de Permeabilidade Magnética . . . 54

5.2 Malha Geral . . . 55

(11)

5.3 Distribuição dos Enrolamentos do Estator . . . 56

5.4 Esquema da distribuição dos enrolamentos excêntricos. . . 57

5.5 Distribuição das Barras do Rotor . . . 58

5.6 Definição de cada Domínio no Estator . . . 62

5.7 Definição de cada Domínio no Rotor . . . 63

5.8 Malhas das barras do rotor. Cada Ramo Representa a Conexão entre as Barras. . . 64

5.9 Exemplos de Formatos para as Ranhuras do Rotor: (a) Barra de ranhura fechada, (b) Barra de ranhura aberta, (c) Rotor de Dupla Gaiola . . . 65

6.1 Distribuição da densidade do Fluxo Magnético e linhas equipotenciais. . 70

6.2 Distribuição da densidade do Fluxo Magnético e linhas equipotenciais. . 70

6.3 Comportamento do Torque no Eixo. . . 72

6.4 velocidade no Rotor. . . 72

6.5 Perdas no Rotor. . . 73

6.6 Eficiência do REF para uma carga Nominal . . . 73

6.7 Comportamento do torque no eixo para uma carga linear. . . 75

6.8 velocidade no Rotor para uma carga linear. . . 76

6.9 Perdas no Rotor para uma carga linear. . . 77

6.10 Eficiência do REF para uma carga linear. . . 78

A.1 Detalhe na geometria da ranhura do estator (dimensões em mm) . . . 87

A.2 Detalhe em perfil do do estator (dimensões em mm) . . . 88

A.3 Detalhe da Geometria do Rotor (dimensões em mm) . . . 89

A.4 Vista em Perfil do Rotor (dimensões em mm) . . . 90

(12)

Lista de Tabelas

5table.1.1

2.1 Componentes da Estrutura Física do REF . . . 35 5.1 Parâmetros do REF . . . 52

(13)

Lista de Símbolos e Abreviaturas

A Superfície plana da bobina A potencial vetor magnético A área de varredura das pás A_ranhura área da ranhura do estator B densidade de fluxo magnético

B_φ densidades de fluxo na coordenadas cilíndricas φ B_r densidades de fluxo na coordenadas cilíndricas r C_T Coeficiente de torque da turbina

C_p coeficiente de potência E campo elétrico

Ec Energia Cinética

H campo magnético

J densidade de corrente elétrica

J_e densidade de corrente gerada externamente J_m Momento de Inercia no rotor

L_barra Impedância na barra de alumínio

N Numero de voltas P_t potência da turbina

Pv potência extraída do vento

R Raio da turbina

R Raio das pás

R₁,R2 Raios da engrenagens 1 e 2

(14)

R_barra Resistência na barra de alumínio

TREF Torque mecânico no eixo do rotor no REF

T_REF torque mecânico de saída do REF T_T Torque na Turbina

T_e torque eletromagnético

T_v Torque mecânico produzido pela turbina V1 Velocidade Tangencial da engrenagem maior

V₂ Velocidade Tangencial da engrenagem menor

W_{CG_RAS}RA Velocidade do campo girante das correntes no rotor assíncrono no referencial

rotor assíncrono

W_{C_RAS}F Velocidade do campo do rotor assíncrono no referencial fixo

W_{C_RS}F Velocidade final do rotor síncrono no referencial fixo W_{C_RS}F Velocidade final no rotor síncrono no referencial fixo W_v Velocidade do Vento

Ωent

2 domínio metade do entreferro

Ωf e domínio composto pela chapa de ferro

Ωranh domínio composto pela ranhura do estator

α ângulo de ataque

αz Componente z do potencial vetor magnético

β ângulo de passo

δ profundidade de penetração ε tensão induzida

µ permeabilidade magnética

µ₀ permeabilidade magnética relativa

µ_eixo permeabilidade magnética do ferro no eixo do rotor µf e permeabilidade magnética do ferro

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ωm frequência angular mecânica no rotor

ωt Velocidade angular na Turbina

− →

B Densidade de fluxo magnético φ Fluxo magnético

ρ densidade do ar

σ condutividade

θ ângulo entre a espira e as linhas de fluxo magnético f frequência no condutor

f1, f2 Frequências nas engrenagens 1 e 2

i_i

φ corrente de fase

i_malha corrente na malha do circuito das barras de alumínio

l_barra Comprimento da barra de alumínio

m Massa de ar

n vetor normal unitário a superfície

r distancia radial do sistema de coordenadas cilíndricas r_ee ri raio externo e interno do entreferro

v velocidade dos condutores

vi+1 Tensão nas barras de alumínio na i-ésima+1 corrente

v_i Tensão nas barras de alumínio na i-ésima corrente vv Velocidade do vento

v_v velocidade do vento

ABEEólica Associação Brasileira de Energia Eólica CC corrente contínua

CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica DFIG Gerador de Indução de Dupla Alimentação DFIG Gerador de Indução de Dupla Alimentação EDAs Equações Diferenciais Algébricas

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EDOs Equações Diferencial Ordinárias EPE Empresa de Pesquisa Energética GI Gerador de Indução

GS Gerador Síncrono

GWEC Global Wind Energy Council MEF Métodos do Elementos Finitos PWM Modulação por largura de pulso

PWM Pulse-Width Modulation- Modulação por largura de pulso REF Regulador Eletromagnético de frequência

rpm rotação por minuto

t tempo

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Capítulo 1

Introdução

Diversas fontes de energia foram utilizadas durante a evolução da humanidade, prin-cipalmente os combustíveis fósseis. Tais fontes foram essenciais para suprir a crescente demanda energética mundiais. Entretanto, com o atual debate sobre a questão da preser-vação ambiental, essas fontes têm se mostrado cada vez mais insustentáveis do ponto de vista econômico, por se tratarem de recursos finitos, e, do ponto de vista ambiental, por causa dos seus impactos negativos a natureza (Oliveira Neto 2016).

Diante desse centenário, é necessário buscar alternativas a qual possa atender e as-segurar o suprimento de energia e que amenizar os impactos ambientais. Nesse sentido, há uma preocupação mundial em desenvolver fontes renováveis de energias, de forma a se ter fontes mais viáveis e com menor impacto ao meio ambiente no cenário global de produção de energia.

Uma das fontes renováveis que vêm consolidando como uma das mais promissoras fontes de geração de energia em grande escala é a energia eólica. Segundo a Global Wind Energy Council (GWEC), organização internacional especializada em energia eó-lica, houve uma ampliação de 2.014 Megawatts na potência instalada dessa energia no Brasil em 2016, o que nos posicionou na 5a posição no ranking mundial de capacidade instalada. Favorecido por estações de ventos fortes, a Região Nordeste continua a ser o maior polo brasileiro de geração de energia eólica. Segundo a CCEE (Câmara de Comer-cialização de Energia Elétrica), o Rio Grande do Norte foi o principal estado gerador no Brasil no ano de 2016. As usinas no Rio Grande do Norte produziram 1.206 MW mé-dios no período, número que representa um aumento de 50% em relação a 2015 (Portal

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 2

Brasil 2017).

Este crescimento da geração de energia eólica influenciou de forma direta na operação e planejamento dos sistemas de potência, em termos de qualidade da energia, segurança, estabilidade e controle de potência. Analisando as topologias existentes, um dos pontos mais importantes nesse sistema é o controle de velocidade.

O sistema de transmissão mecânica de uma turbina eólica pode ser constituído de um eixo de baixa velocidade (20 a 150 r.p.m.), e outro eixo de alta velocidade (1200 a 1800 r.p.m.) no qual é conectado o gerador. Neste caso, é necessária a presença de uma caixa multiplicadora (Dutra 2008). Outra alternativa é usar um gerador síncrono com grande número de polos (mais de 50). A primeira estrutura envolve uma tecnologia mecânica muito sofisticada e de difícil e de vida útil mais curta, necessitando de manutenção con-tínua, apresentando maiores perdas mecânicas, além de serem fontes de ruídos audíveis. Já a segunda, devido ao número de polos, necessita de um gerador mais caro e de um conversor de frequência, aumentando os custos (Silva 2015).

Baseando nas topologias de aerogeradores, foi desenvolvida na Universidade Federal Rio Grande do Norte (UFRN) uma novo sistema multiplicador de velocidade, no qual permite ao sistema trabalhar com velocidade de entrada variável de vento, mantendo constante a velocidade de saída do sistema. Esse sistema substitui o uso da caixa de transmissão e não possui conversores de grande porte para acoplar a turbina eólica á rede elétrica.

Hoje em dia, Métodos de Elementos Finitos (MEF) são amplamente utilizados para calcular as propriedades operacionais e as características de máquinas elétricas, sem cons-truir fisicamente um protótipo, economizando custos e permitindo experimentar altera-ções nos parâmetros, de modo a analisar uma máquina com os parâmetros projetados.

Além disso, a indústria de computadores vem se desenvolvendo em uma taxa impres-sionante. Usando computadores tão poderosos e software MEF avançado, a simulação de diferentes estados (por exemplo, o estado transitório) ou a estimativa das performances das máquinas elétricas, não são mais problemas difíceis para os projetistas.

O MEF é um método matemático para solução de equações diferenciais parciais, tais como as equações de Poisson e Laplace. O conceito mais fundamental do MEF é o

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que toda função contínua, seja ela de temperatura, pressão ou deslocamento, pode ser aproximada por um modelo composto de um conjunto de funções contínuas (dentro de um intervalo) definidos sobre um número finito de subdomínios, denominados por elementos finitos (Ida & Bastos 2013).

O COMSOL Multiphysics R

é uma ferramenta que pode ser utilizada para este tipo de estudo, por ser um software para a modelagem de fenômenos físicos com base no MEF. Este software facilita as etapas do processo de modelagem, utilizando uma interface que permite uma solução por meio da combinação dos fenômenos físicos diferentes.

Esta tese, então, propõe-se a analisar um elemento importante na etapa de formulação do processo completo de projeto de uma máquina elétrica que é a determinação da dis-tribuição do campo magnético na estrutura do Regulador Eletromagnético de Frequência (REF), o que envolve uma solução não linear das equações do MEF, ao mesmo tempo em que se determina a influência do efeito pelicular, uma solução linear do MEF. A inte-gração destes dois conjuntos de soluções dentro de um pacote computacional comercial (COMSOL Multiphysics R

) é o escopo deste trabalho.

A partir desta metodologia, é possível determinar os parâmetros necessários à veri-ficação do projeto do REF, testar e calcular as modificações de características em uma próxima iteração do algoritmo de otimização do rendimento da máquina.

1.1 Evolução da Indústria de Energia Eólica

A produção de energia eólica vem crescendo ao longo dos últimos anos como uma das principais alternativas renováveis de energia, no entanto, a tecnologia que dá início à evolução dessa indústria não é algo recente. De acordo com (Martins et al. 2008), a trans-formação de energia cinética em energia mecânica (base de funcionamento do sistema eólico) já vem sendo utilizado pela humanidade há mais de 3.000 anos, através de moi-nhos de vento utilizados para a moagem de grãos e bombeamento de água para atividades agrícolas.

Historicamente, a utilização e desenvolvimento dessa tecnologia datam do século XIV e indicam que a Holanda já havia realizado uma significativa evolução técnica e de

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ca-CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 4

pacidade de produção de energia mecânica com base na força dos ventos, culminando no desenvolvimento de moinhos utilizados para a moagem de grãos, serrarias e bombea-mento de água, resultando em uma rápida expansão da tecnologia para os países europeus até a invenção e expansão do uso da máquina a vapor, o que colocou os moinhos de vento em decadência (Amarante et al. 2001).

Entretanto, foi a partir de experiências de incentivo ao mercado, realizadas na Cali-fórnia (década de 1980), Dinamarca e Alemanha (década de 1990), que o aproveitamento eólio-elétrico atingiu escala de contribuição mais significativa ao sistema elétrico, em ter-mos de geração e economicidade. O desenvolvimento tecnológico passou a ser conduzido pelas nascentes indústrias do setor, em regime de competição, alimentadas por mecanis-mos institucionais de incentivo, especialmente via remuneração pela energia produzida. Características também marcantes desse processo foram: (a) devido à modularidade, o investimento em geração elétrica passou a ser acessível a uma nova e ampla gama de investidores; (b) devido à produção em escalas industriais crescentes, o aumento de ca-pacidade unitária das turbinas e novas técnicas construtivas, possibilitaram-se reduções graduais e significativas no custo por kilowatt instalado e, consequentemente, no custo de geração (Nascimento et al. 2012).

Além disso, a primeira crise do petróleo foi um evento de significativa importância para o setor elétrico, assim como para o início do movimento ambiental contemporâneo, tendo em vista a dependência mundial de combustíveis fósseis e os impactos causados por essa dependência, acentuados com uma nova crise do petróleo da década de 1980 que forçou governos ao redor do mundo a iniciar políticas de incentivo ao desenvolvimento de tecnologias alternativas para a geração de energia, tendo como base a capacidade de renovação de materiais (Junfeng et al. 2006).

Segundo dados da Global Wind Energy Council (GWEC),a indústria de energia eó-lica ganhou destaque como exemplo de produção de energia limpa e pela disponibilidade gratuita de seu combustível (o vento). Isso fez com que em 2005 o setor obtivesse mais de US$ 10 bilhões em investimentos e empregasse mais de 150 mil pessoas nos países com políticas voltadas para o setor. Essa realidade contribuiu para o desenvolvimento de incentivos de diversas formas para o setor, estimulando investimentos e tornando essa

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modalidade de energia mais interessante economicamente. A figura 1.1 apresenta a capa-cidade cumulativa instalada de produção global de energia eólica de 2001 a 2017.

De acordo com a Tabela 1.1, a fonte eólica lidera no cadastro de ofertas, com mais de 26.198 MW e 931 projetos. A fonte solar vem em seguida, com 620 projetos cadastra-dos, superando 20.021 MW de capacidade instalada. Os 28 projetos movidos a biomassa reúnem 1.422 MW. As Pequenas Centrais Hidrelétricas cadastraram 67 projetos que so-mam 896 MW e as Centrais Geradoras Hidrelétricas tiveram 23 projetos em 63 MW. As hidrelétricas cadastraram três empreendimentos que totalizam 114 MW.

Tabela 1.1: Empreendimento Cadastrados. Fonte: (EPE-EMPRESA 2015)

Fonte Projeto Oferta (MW)

Eólica 931 26.198

Fotovoltaico 620 20.021

Hidrelétrica 3 114

Pequenos Centros Hidrelétricas 67 896 Centrais Geradoras Hidrelétricas 23 63

Termelétricas a Biomassa 28 1.422

Figura 1.1: Evolução da potência mundial instalada anualmente de energia eólica de 2001 a 2017 no mundo.

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O Conselho Global de Energia eólica (The Global Wind Energy Council – GWEC) divulgou, no dia 14 de fevereiro de 2018, o relatório “Global Wind Statistics 2017”, com as informações sobre a capacidade instalada anual global e a capacidade global acumulada de energia eólica entre 2001 e 2017, conforme mostra o gráfico da Figura 1.1.

Nota-se que a capacidade instalada global continua elevada e acima de 50 gigawatts (GW), mas caiu de 63,6 GW em 2015, para 54,6 GW em 2016 e 52,6 GW em 2017 (próximo aos 51,6 GW de 2014).

A capacidade global acumulada de produção de energia eólica continua aumentando, tendo passado de 23 GW em 2001, para 198 GW em 2010 e 539 GW em 2017. Em 17 anos a capacidade global instalada cresceu 22,6 vezes, que dá uma média de variação anual de 20% ao ano entre 2001 e 2017. É um crescimento muito expressivo, porém a variação anual chegou a crescer 32% em 2009 e caiu para 11% em 2017 em relação a 2016. A capacidade instalada acumulada que estava dobrando em 4 anos, passou a necessitar 7 anos.

O relatório da GWEC considera também que o preço da energia eólica está ficando cada vez mais competitivo e já está mais barato do que o preço da energia fóssil. To-davia, a eliminação de subsídios em diversos países prejudicou os investimentos, neste momento em que a indústria eólica está em transição para um sistema baseado nas regras do mercado. A diminuição do montante de nova capacidade instalada em 2017 em rela-ção aos dois anos anteriores se deve à lacuna no sistema de preço e apoio institucional nos diversos países.

Há de se salientar que, a produção da energia eólica conseguiu alcançar um patamar de relevância, que mesmo durante a crise econômica mundial de 2008, continuou crescendo em ritmo acelerado com taxas de aproximadamente 32% de expansão e 41% em 2009. Para alguns especialistas, este crescimento ainda está fortemente baseado na instalação de turbinas eólicas em terra, que representa mais de 98% de todas as instalações até 2010, no entanto, o potencial(escala superior a 50 MW) de produção de energia offshore demons-tra significativo potencial e representa atualmente apenas 1,3% da capacidade instalada (Junfeng et al. 2006).

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Brasil vem despertando para a importância das energias limpas, como a eólica. Segundo previsões da Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica), o Brasil tem expan-dido a participação da produção da energia eólica na sua matriz energética. crescimento da participação da energia eólica esteve também associado a um projeto público e incen-tivos para essa . Destacando a criação do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA), que foi criado em 2002 e foi considerado um passo im-portante para a sustentabilidade na geração de energia (de Energia 2011).

Em 2018, a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) vê 1,6 GW em novas eólicas com alta probabilidade de entrar em operação no Brasil, além de outros 226 MW como com média viabilidade de implantação ainda.

No Brasil, a capacidade instalada em 2017 foi de 2 GW (4% do total global) e a capacidade acumulada atingiu 12,8 GW (2% do total global). O país passou do nono para o oitavo lugar em capacidade instalada acumulada (ultrapassou o Canadá).

1.2 Motivação e Justificativa

Atualmente vários países vêm investindo na complementação e transformação de seus parques energéticos com a implementação de fontes renováveis de energia. As questões ambientais incentivaram em muito estes investimentos, principalmente devido aos impac-tos causados pelas formas tradicionais de geração de energia.

Vários governantes estão traçando novas estratégias de fornecimento de energia elé-trica a curto e a longo prazo devido à preocupação com o aumento do consumo de eletrici-dade nos últimos anos. Esta preocupação justifica um planejamento mais eficaz e rigoroso para essas estratégias, de forma a suprir as necessidades da população. Neste contexto, inserem-se as fontes renováveis de energia, as quais têm aumentado sua participação nos mercados.

Com o sensível crescimento do mercado a favor da energia eólica, nota-se queda nos preços dos aerogeradores ao longo das últimas décadas, tornando-a ainda mais compe-titiva com outras fontes de geração, devido à evolução da tecnologia, das características operacionais aplicadas à energia eólica e não somente às questões de custo. O custo

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"zero"de seu combustível (ventos), baixo custo de manutenção, o curto espaço de tempo necessário para sua instalação e operação, entre outros fatores, vêm consolidando o es-paço da energia eólica entre as demais fontes de energia.

O desenvolvimento da humanidade através da utilização cada vez maior de fontes renováveis de energia minimizará os impactos ambientais. Em particular, melhorar a eficiência na produção de eletricidade significa melhorar o aproveitamento da energia disponível nos ventos para a produção de eletricidade e isto é de suma importância para a maioria dos países, sejam eles, desenvolvidos ou em desenvolvimento.

Portanto, devido à esse desenvolvimento cada vez maior da geração eólica, é necessá-rio de estudos para este tipo de aproveitamento de energia.

Diante das razões apresentadas, torna-se importante a possibilidade de realizar estudos e pesquisas na geração eólica é de suma importância para o desenvolvimento tecnológico dos sistemas eólicos. Com isso, torna-se necessária a realização de pesquisa neste tipo de geração focada na qualidade de energia compatível com os padrões de exigência.

A conversão desse tipo de energia em energia elétrica é de natureza interdisciplinar e compõe um vasto campo de conhecimento. E o estudo de novas tecnologias e métodos para melhorar o aproveitamento deste vasto potencial energético é de grande importância, e tem atraído a atenção de pesquisadores, acadêmicos e da sociedade como um todo.

1.3 Objetivo Geral

O objetivo deste trabalho é analisar as possíveis interações eletromagnéticas de um novo redutor, denominado Regulador Eletromagnético de Frequência, projetado pela UFRN e requerido para ser pateado, que será aplicado a tecnologias de aerogeradores, com a van-tagem de não possuir caixa de transmissão e nem conversores eletrônicos.

Como se sabe, projetos de máquinas elétricas são, pela complexidade e interdepen-dência de fenômenos eletromagnéticos, térmicos e mecânicos, um complexo. É neste contexto que se estabelece as análises que se pretendem realizar no presente trabalho.

Os dados foram obtidos através de uma ferramenta computacional que trabalha com fenômenos físicos, utilizando Métodos de Elementos Finitos, contribuindo para um

(25)

es-CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 9

tudo e análise detalhados da máquina. E assim, indicar possíveis modificações ou ajuste nas variáveis do projeto.

Logo, este trabalho se propõe analisar a influência das interações eletromagnéticas na estrutura da máquina que é um elemento importante na etapa de formulação do processo completo de um projeto de uma máquina.

1.4 Objetivos Específicos

• Avaliar a estrutura física, incluindo as características geométricas ( tamanho, lar-gura e comprimento) do REF;

• Desenvolver um modelo eletromagnético pelo Método de Elementos Finitos que possa calcular o campo eletromagnético e as forças do regulador;

• Investigar por meio de modelagem computacional usando o COMSOL Multiphysics R

as características eletromagnéticas do sistema regulador de velocidade;

• Analisar as variáveis de projeto (torque, velocidade e perdas eletromagnéticas) uti-lizando os dados reais do projeto físico.

• Investigar e analisar as principais topologias de rotores elétricos para se obter os esperados valores de rendimento e característica torque-velocidade.

1.5 Apresentação e Organização

No capítulo 2 são apresentados os componentes e topologias dos sistemas de conver-são de energia eólica, um estudo de extração de energia dos ventos. Também é apresen-tado o modelo de um sistema de conversão de energia eólica baseado no REF.

No capítulo 3 é apresentada uma revisão dos trabalhos mais relevantes na área ge-radores eólico-elétrico que são capazes de gerar energia elétrica e entregar à rede com frequência constante.

No capitulo 4 serão explicados os princípios e passos básicos para uma análise com o método, para que possa servir como uma introdução para profissionais da área que dese-jam utilizar o método e/ou ter maior conhecimento ao revisar materiais que contenham o

(26)

tema. Também, descrever os fenômenos eletromagnéticos que são derivadas as equações dimensionais do projeto da máquina. Neste capitulo é feito uma descrição matemática utilizando o método dos elementos finitos, associando esta ferramenta à sua utilização durante as etapas da simulações.

O capítulo 5 é dedicado ao projeto da do REF, em que foram feitos medidas construti-vas do protótipo desenvolvido, mostrando os materiais empregados na estrutura do estator e rotor. Nesse capítulo apresenta-se o modelo da máquina desenvolvido para investigação utilizando o Método dos Elementos Finitos, sua formulação básica e a sua aplicação à análise de projeto.

No capítulo 6 é apresentada uma análise dos resultados obtidos com o MEF, a visuali-zação da densidade de fluxo o cálculo do torque eletromagnético, velocidade e perdas do rotor e a eficiência da máquina. No Capítulo 8 são apresentadas as principais conclusões do trabalho realizado e sugeridas linhas de investigação futuras.

(27)

Capítulo 2

Revisão Teórica

2.1 Sistemas de Geração Eólica

Os geradores eólicos podem ser classificados de acordo com a orientação do rotor, podendo este apresentar orientação vertical e horizontal.

Os rotores de eixo vertical são aqueles cujo eixo de rotação é perpendicular à direção do vento incidente e, portanto, à superfície da terra. A principal vantagem reside na sua capacidade de funcionar seja qual for a direção do vento, não sendo necessário meca-nismos de orientação que onerem o custo do equipamento. Os tipos de rotores de eixo vertical são Savonius, Darrieus e Giromill e são apresentados na Figura 2.1.

Figura 2.1: Estruturas de Aerogerador Verticais (Linard & others 2014)

(28)

CAPÍTULO 2. REVISÃO TEÓRICA 12

• Darrieus: São turbinas com perfil aerodinâmico desenhado de forma semelhante às asas dos aviões, criando sustentação para se movimentarem e gerar energia. Os aerogeradores Darrieus são mais eficientes que as turbinas do tipo Savonius (Carper 2010).

• Savonius: A força predominante neste tipo de gerador é a de arrasto, ou seja, as turbinas giram predominantemente pela pressão do ar sobre as pás. As turbinas Sa-vonius são geralmente mais baratas e começam a girar a uma velocidade mais baixa em relação a outros tipos de turbinas eólicas, porém é o tipo de turbina eólica me-nos eficiente tomando em consideração a área de captação de energia e a produção anual da mesma (Saha & Rajkumar 2006).

• Giromill: Cujo princípio de funcionamento é igual ao da Darrieus, contém pás retas. As pás desta turbina apresentam um passo variável de modo a reduzir as variações do torque. Desta forma, obtém-se uma solução capaz de combinar as vantagens das duas soluções anteriores. Ou seja, elevado torque de arranque, uma baixa relação velocidade das pás, elevada eficiência, principalmente em situações de velocidade do vento variável (Sethi & Ravichandran 2011).

Os rotores de eixo vertical apresentam algumas desvantagens como:

• Apresentam problemas estruturais a longo prazo, em caso de pás fabricadas com alumínio, por razão de esforços por fadiga;

•

As turbinas de eixo horizontal, como o próprio nome diz, possui o gerador de forma horizontal. Elas são as mais potentes e eficazes para produzir eletricidade. O estudo com a finalidade de prever o comportamento aerodinâmico dos geradores horizontais é mais simples, o que tem levado a coleta de resultados mais eficientes e satisfatórios para estes modelos de turbinas. Em geral, estas turbinas possuem uma torre extensa, o que possibi-lita a coleta dos ventos a uma altura muito acima do solo, permitindo coletar ventos mais constantes e mais intensos, e como consequência há maior geração de energia elétrica (Islam et al. 2008).

(29)

As turbinas de eixo horizontal têm seu eixo de rotação orientado na mesma direção da torre que suporta a estrutura do rotor, ou seja, em uma direção que é perpendicular à direção do movimento do vento. Uma característica muito vantajosa desse tipo de tur-bina é o fato dela não depender da direção do vento. Outro ponto favorável é a própria configuração vertical do eixo, alguns modelos de turbinas são construídos próximos ao nível do solo, o que requer uma estrutura de sustentação mais simples, logo não encarece o custo do equipamento usado. Entretanto, a eficiência desse tipo de turbina é baixa, pois em cada rotação (giro) uma das pás atravessa o escoamento na direção contrária ao sen-tido do escoamento ao qual foi projetado, o que acarreta fraca potência desenvolvida por unidade de área de coleta do vento.

Os rotores mais utilizados para geração de energia elétrica são os de eixo horizontal do tipo hélice, compostos de três pás e também o seu rendimento aerodinâmico é superior aos de eixo vertical e estão menos expostos aos esforços mecânicos, compensando seu maior custo.

2.2 Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

A escolha de um aerogerador depende do local onde este vai ser instalado. Isto quer di-zer que é dependente das condições atmosféricas do local, mais especificamente do vento. Existem assim quatro conceitos relativos à velocidade do vento: velocidade constante, velocidade variável limitada, velocidade variável com caixa de engrenagem (múltiplos estados e de um único estado) e velocidade variável sem caixa de engrenagens.

As principais partes constituintes de um gerador eólico de eixo horizontal são: torre, pás, nacele, cubo, eixos de alta e baixa velocidades, caixa de engrenagem (presente em alguns aerogeradores), gerador elétrico, anemômetros e sistemas de controles que são apresentados na figura 2.2 (Linard & others 2014).

Componentes de um Aerogerador de Eixo Horizontal:

• Pás do rotor: capturam a energia do vento e a convertem em energia rotacional no eixo;

(30)

Figura 2.2: Principais Componentes de um Aerogerador de Eixo Horizontal (Linard & others 2014)

• Eixo: transfere a energia rotacional para o gerador;

• Nacele: compartimento instalado no alto da torre composto por caixa multiplica-dora, sistema de yaw, sistema de controlo eletrônico e sistema hidráulico. É o com-ponente com maior peso do sistema. Dependendo do fabricante do aerogerador, pode ultrapassar as 72 toneladas;

• Caixa de engrenagens: aumenta a velocidade do eixo entre o cubo do rotor e o gerador;

• Gerador: usa a energia rotacional do eixo para gerar eletricidade usando eletromag-netismo;

• Unidade de controle eletrônico: monitora o sistema, desliga a turbina em caso de mau funcionamento e controla o mecanismo de ajuste para alinhamento da turbina com o vento;

• Controlador: move o rotor para alinhá-lo com a direção do vento;

• Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de energia ou falha no sistema;

(31)

as pás possam girar com segurança e distantes do solo;

• Equipamentos elétricos: transmitem a eletricidade do gerador através da torre e controlam os diversos elementos de segurança da turbina.

2.2.1 Torre

As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento. É um item estrutural de grande porte e de elevada contribuição no custo do sistema. Inicialmente, as turbinas utilizavam torres de metal treliçado. Com o uso de geradores com potências cada vez maiores, as naceles passaram a sustentar um peso muito elevado tanto do gerador quanto das pás. Desta forma, para dar maior mobilidade e segurança para sustentar toda a nacele em alturas cada vez maiores, tem-se utilizado torres de metal tubular ou de concreto que podem ser sustentadas ou não por cabos tensores (Amarante et al. 2001).

2.2.2 Pás, Cubo e Eixos

As pás são perfis aerodinâmicos responsáveis pela interação com o vento, convertendo parte de sua energia cinética em trabalho mecânico. Inicialmente fabricadas em alumínio, atualmente são fabricadas em fibras de vidro reforçadas com uma resina. Nos aerogera-dores que usam controle de velocidade por passo, a pá dispõe de rolamentos em sua base para que possa girar, modificando assim seu ângulo de ataque (Wenzel 2008).

As pás,Figura 2.3.(a), são fixadas através de flanges em uma estrutura metálica a frente do aerogerador denominada cubo. Esta estrutura é construída em aço ou liga de alta re-sistência. Para os aerogeradores que utilizam o controle de velocidade por passo, o cubo, além de apresentar os rolamentos para fixação das pás, também acomoda os mecanismos e motores para o ajuste do ângulo de ataque. É importante citar que por se tratar de uma peça mecânica de alta resistência, o cubo é montado de tal forma que, ao sair da fábrica, apresenta-se como peça única e compacta viabilizando que, mesmo para os aerogerado-res de grande porte, seu transporte seja feito sem a necessidade de montagens no local da instalação (Amarante et al. 2001).

(32)

Os eixos são os responsáveis pelo acoplamento do cubo, a caixa de engrenagem (eixo de baixa velocidade) e ao gerador( eixo de alta velocidade), fazendo a transferência da energia mecânica da turbina. É construído em aço ou liga metálica de alta resistência. (CRESESB 2008)

] Figura 2.3: Pás do rotor fixadas no cubo

(CRESESB 2008)

2.2.3 Nacele

É a estrutura montada sobre a torre, onde se situam o gerador, a caixa de engrenagens (quando utilizada), todo o sistema de controle, medição do vento e motores para rotação do sistema para o melhor posicionamento em relação ao vento. É o componente com maior peso do sistema. Dependendo do fabricante do aerogerador, pode ultrapassar as 72 toneladas. (Amarante et al. 2001)

2.2.4 Mecanismos de Controle

Os sistemas eólicos necessitam de dispositivos de controle para garantir a confiabi-lidade e segurança aos equipamentos porque, embora operem com velocidades de vento bastante elevadas, quando essa velocidade supera valores da velocidade nominal, haverá

(33)

uma sobrecarga no sistema e desgaste dos equipamentos.

Os aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência à potência nominal do aerogerador. São chamados de con-trole de passo (Pitch) e concon-trole estol (Stall).(CRESESB 2008)

• Controle de Passo: Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada, de-vido à um aumento da velocidade do vento, as pás giram em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras, as pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque. Esta redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâ-micas atuantes e, consequentemente, a extração de potência do vento. Para todas as velocidades de vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que o aerogerador produza apenas a potência nominal.

• Controle Estol: O controle estol é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem girar em torno de seu eixo longitudinal. O ângulo de passo é escolhido de forma que, para veloci-dades de vento superiores a velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá (estol), reduzindo as forças de sustentação e aumentando as forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos atuam contra um aumento da potência do rotor. Para evitar que o efeito estol ocorra em to-das as posições radiais to-das pás ao mesmo tempo, o que reduziria significativamente a potência do rotor, as pás possuem uma pequena torção longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.

Turbinas eólicas de grande porte têm controle inteiramente automático, por meio de atuadores rápidos, software e microprocessadores alimentados por sensores duplos em todos os parâmetros relevantes. Usualmente, utiliza-se telemetria de dados para monito-ramento de operação e auxílio a diagnósticos/manutenção (Amarante et al. 2001).

Em alguns sistemas são utilizados, também, de forma complementar aos sistemas de “pitch” ou “stall”, os freios que atuam diretamente nos sistema de transmissão.

(34)

2.3 Aerodinâmicos das Pás

O modelo aerodinâmico possibilita calcular o valor do conjugado mecânico (ou po-tencia mecânica) entregue ao eixo do aerogerador, considerando diferentes velocidades do vento e diferentes posições de angulo do passo das pás do aerogerador. A Figura 2.4 permite observar os aspectos aerodinâmico das pás. Quando o vento atinge as pás, apare-cem duas forças, a de arrasto, que possui a mesma direção e mesmo sentindo do vento, e a de sustentação perpendicular a direção do fluxo do vento. Em topologias do tipo horizon-tal a força de sustentação é responsável pela geração de energia elétrica. Por fim a figura 2.4 indica dois ângulos de fundamental importância no processo de captação de energia elétrica cinética do vento. O primeiro é denominado ângulo de ataque (α),é definido entre a direção do vento e da ponta da pá e o segundo, o ângulo de passo (β) é o ângulo entre a ponta da pá e o plano de rotação (Maccarini & others 2009).

Figura 2.4: (a)Vento incidindo em uma turbina eólica (b) Característica de uma pá eólica e do vento incidente na mesma

2.4 Potência Extraída dos Ventos

A turbina eólica capta a energia cinética realizada através do movimento das pás do aerogerador. Essa energia no ar com uma massa “m” movendo-se a uma velocidade “vv”

(35)

é dada pela Equação 2.1 :

E_c= 1 2mv

2

v (2.1)

Como a massa de ar volumétrica (m) é dado por ρAvv então a potência é dado pela

Equação 2.2: Pv= 1 2ρAv 3 v (2.2) Sendo: Pv - Potência [W ]; ρ - Densidade do ar [kg m3];

A- Área varrida pelas pás do rotor [m2]; v_v- Velocidade do vento [m_s].

A potência na turbina (Pt) que pode ser obtida a partir da energia eólica depende do

coeficiente de potência (Cp): P_t = cpPv= 1 2ρAv 3 vcp (2.3)

A Figura 2.5 mostra que, a potência do vento é convertida em potência mecânica no rotor da turbina pela redução da velocidade do vento. Entretanto, a turbina eólica não pode extrair completamente a potência disponível no vento. Pois, isso significa que a velocidade do vento, atrás da área de varredura (A), deveria ser zero, ou seja, v2 seria

igual a zero. Entretanto, isto não é possível, pois esta condição viola a lei da continuidade da energia. Por outro lado, se a velocidade do vento, atrás da área de varredura, for a mesma da velocidade da frente da área de varredura (v1= v2) não houve redução da

velocidade do vento, e, consequentemente, a potência extraída pela turbina do vento é zero (v = 0). Deste modo, entre estes dois extremos, deve haver um ponto ótimo de

(36)

operação que garanta a máxima extração possível de energia, pela turbina eólica.

Figura 2.5: Variação da velocidade do vento através da área de varredura A.

Em (Gasch & Twele 2011), mostra que o melhor ponto de operação é quando cp é

aproximadamente 0,593. Isso significa que, desconsiderando as perdas, somente 59,3% da energia disponível no vento pode ser convertida em potencia mecânica para a turbina eólica. Na realidade cpé menor que 0,593. Para turbinas que utilizam a força de arrasto

para movimentar o rotor o valor de cp é menor que 0,2, enquanto que, para turbinas que

utilizam a força de sustentação para o movimento do rotor o valor de cp pode alcançar

0,5.

Segundo (Gevaert et al. 2013), cp também pode ser definido em função do formado

das pás e o parâmetro λ, sendo λ a razão entre a velocidade tangencial das pás pela velocidade do vento, conforme a Equação 2.4. A partir desta definição é possível extrair uma curva de cp em função de λ que permita descobrir com qual velocidade de rotação

se tem a maior eficiência da turbina para cada velocidade de vento:

λ = ωt vv

(2.4)

Um exemplo típico de curva cp em função de λ é apresentado na Figura 2.6. Neste

(37)

aproximada-CAPÍTULO 2. REVISÃO TEÓRICA 21

mente igual a 8,1, ou seja, a máxima potência que pode ser extraída desta turbina é igual aproximadamente a 48% da potência cinética do vento e para que isto ocorra a razão entre a velocidade tangencial das pás e a velocidade do vento deve ser igual a 8,1.

Figura 2.6: Curva cpcaracterística de uma turbina eólica.

A potência extraída do vento é transmitida, de forma mecânica pela turbina eólica através dos eixos rotativos da turbina. Quando essa potência é transmitida através do eixo é obtido um torque TT, calculado pela Equação 2.5:

T_T = CTρπR2v2vD (2.5)

Onde:

T_T: é o torque na turbina; CT :Coeficiente de torque da turbina; R: raio da turbina; vv

velocidade do vento.

2.5 Sistema de Transmissão Mecânica

Tendo em vista que a maioria dos aerogeradores utilizam a caixa de engrenagem, responsável pela entrega da energia mecânica do eixo da turbina ao eixo do gerador, existe a necessidade de um melhor entendimento deste equipamento. O sistema de transmissão

(38)

mecânica de um aerogerador é constituído pelo eixo de baixa velocidade, o eixo de alta velocidade e o multiplicador de velocidade. O último é utilizado em geradores com um número pequenos de pólos, como mencionado antes: Gerador Síncrono e Gerador de Indução Duplamente Alimentado. Como elemento de proteção contra eventual excesso de velocidade, existe no eixo um freio mecânico (Silva 2012).

Entre os tipos de engrenagens as de dentes retos e as helicoidais são as que são mais usadas nas caixas de engrenagens de aerogeradores. As engrenagens helicoidais têm den-tes inclinados em relação ao eixo de rotação. Podem ser utilizadas nas mesmas aplicações que as engrenagens de dentes retos, porém sem serem tão barulhentas quanto as de dentes retos, devido ao empenho mais gradual dos dentes durante o engranzamento (Shigley & Mischke 2005).

A caixa de engrenagens é composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos. A caixa de engrenagens, como descrita, é um sistema de maior com-plexidade, entretanto, simplificadamente o sistema esquematizado na Figura 2.7 ilustra a relação existente entre engrenagens de diferentes diâmetros. Através da combinação de engrenagens de caracteríısticas diferentes, é possível transmitir movimentos e ampliar ou reduzir: forças (Picolo et al. 2014).

Figura 2.7: Engrenagens Acopladas em Contato Direto

Para esse tipo de acoplamento, as velocidades tangenciais (V1 e V2) nos pontos

indi-cados na Figura 2.7, tem os mesmos valores (V1 = V2). Como, a velocidade linear está

(39)

CAPÍTULO 2. REVISÃO TEÓRICA 23 ω1R1= ω2R2 (2.6) ou ω1 ω2 = R2 R₁ (2.7)

Sabendo que a velocidade angular pode ser escrita como função da frequência , obtém-se a Equação 2.8: 2π f1R1= 2π f2R2 (2.8) ou f1 f₂ = R2 R₁ (2.9)

Nos aerogeradores, esse princípio é utilizado em grande escala, envolvendo engrena-gens de vários tamanhos e formatos de acordo com a potência desejada.

2.6 Gerador Elétrico

Componente que converte a energia mecânica do eixo de alta velocidade em energia elétrica. Seu funcionamento é baseado na indução de força eletromotriz: o modelo mais simples é composto por uma espira. Essa espira gira em torno de um eixo perpendicular à direção das linhas de força de um campo magnético que pode ser produzido por ímãs ou bobinas.

(40)

uma força eletromotriz induzida f.e.m (e). Logo, a força eletromotriz resulta do movi-mento relativo que há entre a espira e o campo magnético. A Figura 2.8 representa o principio básico desse equipamento.

Figura 2.8: Princípio Básico de um Gerador. Quando: (a) θ = 0o(b) θ = 90o

O fluxo magnético (φ) representa o produto entre a indução magnética (B), a área da superfície plana (A) e o cosseno do ângulo (cosθ) formado entre a espira e as linhas de fluxo magnético, como apresentado na Equação 2.10:

φ =−→B Acosθ (2.10)

Analisando a Figura 2.8 pode-se concluir que o fluxo magnético será máximo quando o cosseno do ângulo for 0oe área da espira (A) estiver perpendicular ao fluxo magnética (−→B), ver Figura 2.8 (a). Onde as linhas do campo magnético não a cruzam, e será mí-nimo(Figura 2.8 (b)) quando o cosseno do ângulo for 90ocomo no caso da área da espira estiver paralelo ao fluxo magnética (−→B). Supondo que o fluxo magnético através de um circuito fechado tenha sofrido uma variação ∆φ em um intervalo de tempo isso provo-cará nesse circuito uma corrente induzida. O aparecimento desta corrente no circuito foi estabelecido através de uma f.e.m que é denominada f.e.m induzida.

(41)

Percebe-se então que a f.e.m induzida é diretamente proporcional a taxa de variação do fluxo magnético (∆φ), então para aumentar o seu valor é necessário aumentar essa variação. Isso será possível aumentando a velocidade de rotação da espira. Além disso, segundo a lei de Faraday-Neumann-Lenz, o sentido da corrente elétrica induzida é tal que o efeito que ela produz (campo magnético induzido) se oponha ao efeito que a gerou.

Durante um intervalo de tempo (φt) o fluxo magnético (∆φ) varia e dessa forma a f.e.m (ε) é dada pela razão entre variação do fluxo magnético e a variação do tempo, conforme Equação 2.11:

ε = ∆φ

∆t (2.11)

A magnitude da corrente induzida na espira depende da velocidade relativa entre o campo magnético e a própria espira. A partir disso pode concluir que a potência produzida pelo aerogerador depende, além de outros fatores, da rotação dessa espira. O aumento da rotação produz um aumento da potência, mas só até certo ponto. Como a espira é movida pela turbina e esta pelo vento, ocorre que se a rotação for muito intensa há uma dificuldade da passagem do vento através da turbina o que implica que mesmo aumentando a rotação, a potência diminui depois de certa velocidade. (Hernández García 2004)

O desempenho do sistema turbina - gerador é determinado pela relação entre a ve-locidade do vento e a potência fornecida pelo aerogerador que é conhecida como curva de potência ou curva característica do aerogerador e pode ser obtida teoricamente pelos pontos de intersecção da Figura 2.9.(Hansen 2015) A Figura 2.9 representa a curva carac-terística do gerador elétrico para diferentes velocidades angulares e curvas caraccarac-terísticas da turbina eólica em diferentes velocidades de vento, válida para algumas topologias de aerogeradores.

(42)

Figura 2.9: Curva característica do gerador elétrico para diferentes rotações e curvas ca-racterísticas do aerogerador em diferentes velocidades de ventos.

(Hansen 2015)

2.7 Topologias de Aerogeradores

A velocidade de rotação nominal de uma turbina eólica é relativamente baixa ( 20 à 180 rpm), devendo ser adaptada a uma velocidade de rotação nominal maior no gerador (1200 à 1800 rpm). Essas velocidades dependem, no caso da turbina, da área varrida pelas pás e do fluxo dos ventos (determinando a capacidade de geração); no caso do gerador, do número de pólos e da frequência da rede. Na maioria das tecnologias uma caixa de transmissão é necessária para adequação de velocidades entre o eixo da turbina e o do gerador.

Diferentes tecnologias de aerogeradores têm sido desenvolvidas nas últimas década. Dependendo da tecnologia, pode haver componentes e/ou subcomponentes específicos, bem como pode haver diferenças em sua distribuição no aerogerador. As diferentes tecno-logias de aerogerador podem ser classificadas segundo os seguintes conceitos: (Polinder et al. 2007)

• O tipo de gerador utilizado, síncrono ou assíncrono;

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• A utilização ou não de caixas de engrenagens; • Se trabalham com velocidades fixas ou variáveis.

Normalmente, os sistemas de conversão de energia eólica utilizam turbinas de veloci-dade fixa ou variável, cuja principal diferença é a maneira como a eficiência aerodinâmica do rotor é limitada para diferentes condições de velocidade de vento. Nos aerogeradores de velocidade fixa a rotação do rotor do gerador é mantida pela rede elétrica, neste caso, o gerador é diretamente interligado à rede. Já os aerogeradores de velocidade variável, o gerador é controlado por meio de eletrônica de potência, possibilitando o ajuste da veloci-dade de rotação da turbina. Novas topologias de aerogeradores estão sendo desenvolvidas e, de um modo geral, conforme expressa em (Augusto et al. 2010)

Neste capítulo será feita a descrição das três principais topologias existentes no mer-cado, sendo as outras versões variações destas. As principais diferenças entre eles dizem respeito ao sistema de geração e ao modo como a eficiência aerodinâmica do rotor é limi-tada durante as altas velocidades do vento de maneira a prevenir sobrecargas mecânicas. Aqui serão ressaltado as características mais importantes de cada uma delas. Por fim, será apresentada a nova topologia proposta pelo grupo de pesquisa da UFRN usando o REF (Regulador Eletromagnético de Frequência), o principal motivo de estudo desse trabalho.

2.7.1 Gerador de Indução com Rotor em Gaiola

Neste tipo de topologia apresentada no diagrama esquematizado na Figura 2.10, o sis-tema consiste de um gerador de indução (GI) com rotor em gaiola conectado diretamente a rede elétrica. O acoplamento mecânico entre a turbina e o gerador é feito através de um multiplicador de velocidade (caixa de engrenagem). Este sistema opera com velocidade fixa, que é determinada pela frequência do sistema e pelo escorregamento da máquina de indução (Pereira 2004). Como o gerador de indução de rotor em gaiola sempre consome energia reativa.

Na maioria dos casos,o gerador de indução de rotor em gaiola consome energia re-ativa, isto é particularmente indesejado por causa dos problemas de nível de tensão no ponto de conexão devido ao fluxo de potência reativa na rede elétrica. Por isso, o

(44)

con-CAPÍTULO 2. REVISÃO TEÓRICA 28

sumo de reativo pelo gerador de indução é compensado, em parte ou totalmente, por banco de capacitores (Pereira 2004).

O escorregamento e, consequentemente, a velocidade d rotor variam com a quantidade de potência gerada. A variação de velocidade, contudo, é pequena, aproximadamente de 1% a 2%. Dessa forma, este tipo de sistema é chamado de velocidade constante ou aero-gerador de velocidade fixa. Deve ser mencionado que o aero-gerador de indução de rotor em gaiola usado em aerogeradores pode girar em duas velocidades diferentes, mas constan-tes, pela mudança do número de pólos do enrolamento do estator.

As vantagens desta topologia está na robustez e simplicidade pelo fato do gerador ser conectado diretamente a rede elétrica fazendo com que o sistema apresente uma constru-ção e uma operaconstru-ção mais simples em relaconstru-ção as outras topologias. Entre as desvantagens podemos citar o baixo desempenho aerodinâmico para diferentes velocidades de ventos e a falta de um controle eficiente da potência gerada. Consequentemente, essas variações de ventos resultam em variações de potência gerada e oscilações mecânicas da instalação (Zanchettin & others 2012).

Figura 2.10: Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aeroge-rador utilizando um Geaeroge-rador de Indução com rotor em Gaiola de Esquilo

(45)

2.7.2 Gerador Síncrono Multipolar

Nesta topologia, o gerador empregado é um gerador síncrono (GS) normalmente de irmãs permanentes. Se utiliza bastante esse tipo de gerador com uma grande quantidade de pólos eliminando assim a necessidade da caixa de engrenagem. Isto simplifica o aco-plamento, conforme visto no diagrama esquematizado apresentado na Figura 2.11. A conexão com a rede elétrica é feita através de um conjunto de conversores eletrônicos de potência unidirecional ou bidirecional, que permite desacoplar a frequência do gerador da frequência da rede e injetar na rede a potência ativa gerada (Pereira et al. 2013).

A produção elétrica da turbina é controlado pelo angulo de passo. A grande vantagem desse sistema, quando utiliza gerador a Imãs permanentes, é a estrutura de controle mais simples e robusta.

O gerador síncrono quando rotacionado pela turbina eólica gera frequência elétrica igual a mecânica multiplicado pelo número de par de pólos do gerador. A potencia do gerador flui até a rede, por meio do conversor de frequência, com frequência fixa.

Figura 2.11: Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aeroge-rador utilizando um Geaeroge-rador Síncrono Multipolar

Nesse tipo de topologia, também existe a tecnologia do aerogerador síncrono com uma quantidade menor de polos, que inclui o multiplicador de velocidade.

A possibilidade de ajustar a velocidade de rotação da turbina de acordo com a velo-cidade do vento atual, é a principal vantagem desta topologia. As desvantagens esta no

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custo, pois, existe a necessidade de fabricar geradores síncronos especiais e de utilizar conversores com capacidade para a máxima potência do aerogerador. (Ferreira 2011)

Como aspecto negativo, apesar de o gerador de ímanes permanentes apresente rendi-mentos mais elevados, o processamento de toda a potência convertida através do conver-sor eletrônico agrava as perdas neste, comparativamente à solução baseada no gerador de indução duplamente alimentado (Baroudi et al. 2007).

2.7.3 Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG)

Essa tecnologia consiste em um Gerador de Indução com rotor bobinado e alimen-tação através de anéis deslizantes, cujo estator está conectado direto à rede elétrica e o rotor é alimentado por um conversor de potência bidirecional construído por duas pontes conversoras trifásicas PWM (Pulse-Width Modulation- Modulação por largura de pulso), conhecido por Back-to Back. unidas por meio de uma ligação CC. O conversor comutado à rede é usado para gerar ou absorver potência, a fim de manter a tensão CC constante. Essa configuração trabalha com velocidade variável e necessita de uma caixa de transmis-são. Essa topologia é representado pelo diagrama esquemático visto na na Figura 2.12.

Uma vantagem dessa tecnologia é o menor custo dos equipamentos de eletrônica de potência. Em seus estudos, (Molinas et al. 2005) afirma que a tecnologia desses geradores permite que os conversores utilizados tenham uma potência correspondente a 30% da potência nominal da máquina. Entre as desvantagens, esta a complexidade do sistema de controle do DFIG . Outro ponto é o fato de operar com caixa de transmissão conectando a turbina ao gerador, o que representa uma fragilidade mecânica do sistema.(Liu 2011).

2.7.4 Topologia Usando o Regulador Eletromagnético de Frequência

Depois de analisar as principais topologias, pode-se notar que nenhuma executa ope-ração isolada da rede elétrica e permitiu perceber que um dos pontos mais importantes do sistema de conversão da energia mecânica para a energia elétrica é o controle de ve-locidade. A eficiência nesse controle interfere na frequência da energia elétrica gerada,

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Figura 2.12: Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aeroge-rador utilizando um Geaeroge-rador de Indução Duplamente Excitado

na qualidade da energia no ponto de conexão e no aproveitamento da energia cinética do vento pela turbina. Partindo desse ponto, foi desenvolvida uma nova máquina, que a variável de controle principal é a frequência, por isso a denominação Regulador Eletro-magnético de frequência (ou simplesmente REF). O diagrama esquemático pode ser visto na figura 2.13 (Silva 2015).

Como foi visto, dependendo do número de polos do gerador, é necessária a presença de caixa de engrenagens, para adaptar a baixa velocidade de rotação da turbina eólica ao eixo de alta velocidade do gerador elétrico. Como foi visto, a caixa de engrenagens, tem a finalidade de realizar o acoplamento entre os dois sistemas que operam em velocidades diferentes: a turbina e o gerador. A caixa de engrenagens, que procura garantir em sua saída a velocidade síncrona exigida pelo gerador, envolve tecnologia muito sofisticada e de difícil acesso a informação, e é o equipamento que têm vida útil mais curta, em comparação aos demais componentes do aerogerador, representando um ponto frágil do sistema, necessitando de manutenção mais frequente e apresentando perdas elétricas e mecânicas, além de ser fonte de ruídos audíveis. (Liu 2011)

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Figura 2.13: Diagrama esquemático ilustrando os principais componentes de um aeroge-rador utilizando o regulador Eletromagnético de Frequência (REF)

Estrutura do Sistema

O REF é um equipamento que recebe velocidade variável e entrega velocidade cons-tante. Esse equipamento foi desenvolvido a partir de uma máquina que se assemelha a uma máquina de indução, e que permite ao sistema trabalhar com velocidade variável, proveniente dos ventos, mantendo constante a velocidade de saída que, movendo um ge-rador síncrono, dispensa o uso da caixa de transmissão. Diferente das outras topologias, essa máquina utiliza um inversor de frequência, que injeta correntes na armadura, princi-pal responsável pelo controle de velocidade. O estator convencional da máquina (que foi denominado rotor assíncrono), foi adaptado para que também gire, acompanhando o eixo da turbina eólica. A Figura 2.14 traz uma ideia de como poderia ser a distribuição dos componentes com o REF. Onde podemos destacar: a turbina eólica (1), o REF (2),o gera-dor síncrono (3),e o inversor de frequência (4), apresenta a topologia de um aerogeragera-dor com o REF.

Para a implementação da turbina eólica emulada em bancada experimental foi utili-zada uma máquina de corrente contínua (CC), para reproduzir as condições dinâmicas e

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Figura 2.14: Ilustração de uma turbina eólica usando o REF

de regime permanente da operação real de um sistema eólico. O motor de corrente con-tínua (CC) irá representar o torque da turbina eólica e o gerador elétrico (síncrono) está acoplado mecanicamente ao rotor síncrono do REF. A imagem do protótipo é mostrada na figura 2.15.

Figura 2.15: Imagem Ilustrativa do Protótipo

O REF, apesar de ter uma estrutura que assemelha-se a uma maquina de indução, diferencia-se de uma máquina de indução com rotor em gaiola de esquilo, em dois

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deta-CAPÍTULO 2. REVISÃO TEÓRICA 34

lhes. Primeiro, seu estator é apoiado em mancais que o permitem girar, movimentado pelo eixo da turbina eólica, sendo denominado “rotor assíncrono”. Anéis coletores são coloca-dos no eixo do rotor assíncrono para permitir o contato elétrico do inversor de frequência com os enrolamentos de armadura. O inversor de frequência alimenta a armadura para nela produzir um campo girante (W_{CG_RAS}RA ). A figura 2.16 apresenta uma imagem ilustra-tiva representando em corte a estrutura física do protótipo. Já a Figura 2.17 mostra uma vista explodida dos REF.

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Figura 2.17: Vista explodida da Estrutura Física do REF

Os componentes ilustrados nas figuras 2.16 e 2.17 são relacionados na Tabela 2.1 . Tabela 2.1: Componentes da Estrutura Física do REF

Numero Componente

1 Rotor Síncrono

2 Rotor Assíncrono

3 Rolamento do Rotor Assíncrono 4 Eixo do Rotor Assíncrono

5 Anel coletor

6 Mancais

7 Acopladores

8 Rolamentos dos Mancais

9 Ventilador