AEROGERADORES. Daniel Faro - CXSD

AEROGERADORES

CONTEÚDO

CAPÍTULO 1: Evolução histórica e situação atual da energia eólica no mundo

CAPÍTULO 2: Histórico da energia eólica no brasil e situação atual

CAPÍTULO 3: Potencial eólico

CAPÍTULO 4: Conversão da energia cinética do vento

CAPÍTULO 5: Tecnologia dos aerogeradores

CAPÍTULO 6: Certificação e avaliação de desempenho de aerogeradores

CAPÍTULO 1: EVOLUÇÃO HISTÓRICA E

SITUAÇÃO ATUAL DA ENERGIA EÓLICA

INTRODUÇÃO

• Energia Eólica

• Conversão de energia cinética do vento em outra forma de energia;

• Provem a ação combinada da radiação solar com o efeito da rotação da terra; • Utilizada há mais de 3000 anos;

F.R. Martins, R.A. Guarnieri, E.B. Pereira (2007) Fotos e imagens (2011) _{Olhares (2011)}

• A aplicação que vem tornando mais importante o aproveitamento da energia eólica é a geração de energia elétrica através do uso de aerogeradores;

F.R. Martins, R.A. Guarnieri, E.B. Pereira (2007) Firmas (2011)

Exame (2011)

Skyscrapercity (2011)

EVOLUÇÃO HISTÓRICA

• Primeiro catavento para

geração de energia elétrica

• Charles Brush • 12 kW

• 1888 • USA

EVOLUÇÃO HISTÓRICA • Poul La Cour’s o pioneiro na Dinamarca • 1891 • Eletrolise: Hidrogênio • Lâmpadas a gás • Escolas em Askov • Diâmetro 20 metros • 10 – 35 kW E. Hau (2005)

• Poul La Cour’s • Primeiro curso de Engenheiros eólicos na Dinamarca • Primeira turma 1904 EVOLUÇÃO HISTÓRICA

• Turbina Russa • Wime D-30 em Balaklava, • Diâmetro 30 m, • Potência nominal 100 kW, • 1931 EVOLUÇÃO HISTÓRICA E. Hau (2005)

• Projeto ambicioso MAN-Kleinhenz – Alemanha, • Diâmetro 130 m, • Potência nominal 10000 kW, • 1942 EVOLUÇÃO HISTÓRICA E. Hau (2005)

• Jacobs “wind charger” • Primeiro nos EUA,

• Diâmetro 4 m, • Potência nominal 1,8 a 3 kW) • 1932 EVOLUÇÃO HISTÓRICA E. Hau (2005)

• Aerogerador Best-Romani, • França • Diâmetro 30.1 m, • Potência nominal 800 kW, • 1958 EVOLUÇÃO HISTÓRICA E. Hau (2005)

• Aerogerador W-34, • Alemanha, • Diâmetro 34 m, • Potência nominal 100 kW, • 1959–1968 EVOLUÇÃO HISTÓRICA E. Hau (2005)

• Depois da crise: • Duas pás • MOD-1 • Diâmetro 61 m, • Potência nominal 2000 kW, General Electric, • USA, • 1979 EVOLUÇÃO HISTÓRICA E. Hau (2005)

• Monopteros, • Alemanha • Diâmetro 48 m, • Potência nominal 600 kW, • 1985 EVOLUÇÃO HISTÓRICA E. Hau (2005)

• Aerogerador Darrieus, 4 MW, Canadá, 1987

EVOLUÇÃO HISTÓRICA

ENERCON E126 7.5MW Altura do cubo: 135 m Diâmetro de rotor: 127 m Diâmetro base torre: 14,5 m

• Lançada em 2007 numa verão de 6MW • 34 unidades operacionais

EVOLUÇÃO DO TAMANHO DOS AEROGERADORES

Principais Parques Eólicos Implementados e Projeções – CRESEB (2008) Aerogeradores de Série Protótipos 50 kW 0 20 40 60 80 100 120 140 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Ano Diâm etr o do roto r (m) 600 kW 500 kW 2,500 kW 1,500 kW 5,000 kW 7.500 kW 300 kW

Fonte: NUTEMA, 2007 DIMENSÕES

Potência Total no Final de 2012 (MW) 1.756 1.905 2.305 2.447 2.496 2.534 2.582 2.589 3.816 4.088 4.228 6.200 7.204 8.020 8.437 18.420 22.796 31.499 60.043 75.533 20. Irlanda 19. Romenia 18. Turquia 17. Holanda 16. Polônia 15. Brasil 14. Australia 13. Japão 12. Suécia 11. Dinamarca 10. Portugal 9. Canada 8. França 7. Itália 8. Reino Unido 5. India 4. Espanha 3. Alemanha 2. EUA 1. China Potência Adicionada em 2012 (MW) 125 145 217 296 358 404 506 801 846 880 923 935 1077 1.122 1.273 1.897 2.336 2.439 13.124 13.200 20. Irlanda 19. Portugal 18. Dinamarca 17. Austria 16. Austália 15. França 14. Turquia 13. México 12. Suécia 11. Polonia 10. Romenia 9. Canada 8. Brasil 7. Espanha 6. Itália 5. Reino Unido 4. India 3. Alemanha 2. EUA 1. China 0 10 20 30 40 50 60 70 80 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 C a p a c id a d e I n s ta la d a (G W ) China EUA Alemanha Espanha India China EUA Alemanha Espanha India

Fonte: BTM CONSULT

CAPÍTULO 2: HISTÓRICO DA ENERGIA

EÓLICA NO BRASIL E SITUAÇÃO ATUAL

Ano: 1984

Projeto DEBRA

(Deutschland + Brasil)

Programa de cooperação entre

Brasil e Alemanha (DFVL e CTA)

Instalação de Protótipo de 100kW

Ano: 1992

Local:

Fernando de Noronha

Potência:

75 kW

Projeto:

Celpe / UFPE / Folkcenter

Primeiro aerogerador comercial de

grande porte da América do Sul.

Ano: 1994

Local:

Gouveia, MG

Potência:

1.000 kW

Equipamentos:

4x 250 kW

Proprietário:

Cemig

Primeira central eólica construída no Brasil

Central Eólica Morro do Camelinho

1995:

a Wobben se instala no Brasil (Sorocaba)

Ano: 1998

Local:

Taíba, CE

Potência:

5.000 kW

Equipamentos:

10x 500 kW

Proprietário:

Wobben

Primeira central eólica construída sobre dunas e a primeira da

América do Sul construída e operada por um Produtor

Independente de Energia

Central Eólica de Taíba

Local: Taíba, CE - 10.000 kW

Proprietário: Wobben

Central Eólica de Prainha

Ano:

1999

Central Eólica de Palmas

Local: Palmas, PR - 2.500 kW

Proprietário: COPEL

2001:

CRISE ENERGÉTICA NO BRASIL

Principais motivos: poucas chuvas, falta de planejamento e ausência de investimentos em geração e distribuição de energia

(Entre 1990 e 2000, o consumo cresceu 49% enquanto a capacidade instalada foi expandida em apenas 35%).

PROEÓLICA: Programa Emergencial de Energia Eólica

Empresas estrangeiras vêm ao Brasil com objetivo de investir em projetos de energia eólica.

A Petrobras inicia um programa de medição do potencial eólico em vários estados do Brasil.

A ANEEL dá autorização para exploração de energia eólica para 39 projetos que somam uma capacidade instalada de 3.340 MW.

Fonte: Atlas Eólico Nacional (2001) – Cepel/Eletrobras Potencial Indicativo: 143,5 GW Norte 9 % _Nordeste 52 % Sul 16 % Sudeste 21 % C. Oeste 2 %

Valores estimados para instalações com altura de

50 m do solo

ATLAS EÓLICO BRASILEIRO

Atlas do Potencial Eólico Brasileiro – MME (2001)

COMPLEMENTARIDADE SAZONAL EÓLICA - HÍDRICA 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

V azã o ( m3 /s ) 0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000 350.000 P R O IN F A -E ó li ca s do N E ( M W h ) Eólicas - NE

Vazão do Rio São Francisco

SAZONALIDADE DAS USINAS EÓLICAS DO PROINFA

Usina Eólica Piloto de Macau 1,8 MW

Ano:

2003

Primeira Planta Eólica da Petrobras e do RN 3 Aerogeradores de 600 kW (Wobben E-40) Início de Operação: Dezembro de 2003

Primeiro projeto de MDL com geração Eólica no Brasil

(Substituição de 3 motores a Diesel de Plataformas

offshore por motores elétricos alimentados pela

energia gerada pela Usina Eólica, evitando a emissão de 1,3 toneladas métricas de CO₂ por ano).

Produtor Autônomo

Sem qualquer ligação com empresas concessionárias de energia elétrica

Produtor Independente

Ligado à empresa concessionária de energia elétrica

50%

50%

220 MW

Limite máximo a ser contratado por Estado

Obs: para PCH o limite foi de 165MW.

Seleção:

Projetos ordenados pela antigüidade da LI

(setembro, 2003)

Lei N° 10.438, de 26/04/2002 (revisada pela Lei nº 10.762, de 11.11.2003)

PROINFA - Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica

Previa a instalação de 3.300MW de Energia Renovável 1.100 MW Eólica

PROINFA 2004

Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica Empreendimentos contratados: 144 Potência contratada: 3.299,4 MW Eólica: 1.422,92 MW (54) PCH: 1.191,24 MW (63) Biomassa: 685,24 MW (27) CE: 500,5 MW RS: 227,6 MW RN: 201,1 MW RJ: 163,1 MW PE: 21,3 MW PI: 17,9 MW PB: 64,9 MW SC: 226,7 MW

Fonte: Portaria n° 45 MME 30/03/04

28,1 MW

Quintanilha Machado I

FASES DO BRASIL – LEILÕES

LEILÕES (Decreto nº 5.163, de julho de 2004):

Leilões de Energia Reserva (LER) - Novos Empreendimentos de geração

Objetivo: atender crescimento da demanda

•

•

t t+1 t+2 t+3 t+4 t+5 t+6 t+7 t+8 t+9 t+10

A-3 A-5

D. W. Carmeis (2010)

LEILÃO 2007

1° Leilão de Fontes Alternativas (PCH, Eólica e Biomassa)

Leilão de Reserva, que se caracteriza pela contratação de um volume de energia além do que seria necessário para atender à demanda do mercado total do país.

Empreendimentos habilitados: 87

Potência habilitados : 2.803 MW

Empreendimentos contratados: 18

Potência contratada: 638,6 MW (PCH/BIO)

Preço inicial: EOL: R$ 140 / PCH: R$ 130

Duraçã0: EOL: 15 anos / PCH: 30 anos

Principais Entraves Eólica:

- Preço inicial do MWh baixo;

-

Duração do contrato;

-

Mercado Global aquecido.

- BIO: 24 / 1.019 MW

- EOL: 9 / 939 MW - PCH: 54 / 844 MW

LEILÃO 2009

Leilão de Energia de Reserva – Eólica

Se caracteriza pela contratação de um volume de energia além do que seria necessário para

atender à

demanda do mercado total do país. Empreendimentos cadastrados: 441 Potência cadastrados : 13.341 MW Empreendimentos contratados: 71 Potência contratada: 1.805,7 MW Preço inicial: R$ 189/MWh Preço médio: R$ 148,39/MWh Duração do contrato: 20 anos

Início de operação: até julho de 2012

CE: 542,7 MW

RS: 186 MW

RN: 657 MW

SE: 30 MW

LEILÕES 2010

Leilões de Fontes Alternativas de energia elétrica (PCH, Eólica e Biomassa)

Foram 2 leilões: leilão de reserva e leilão de A-3 (A-3: energia necessária para atender a demanda do mercado depois de 3 anos).

Empreendimentos cadastrados: 478

Potência cadastrados : 14.529 MW

Eólica:

Empreendimentos. contratados: 70 (LER: 20, LFA: 50)

Potência contratada: 2.047,8 MW (LER: 528,2, LFA: 1.519,6)

Preço inicial: R$ 167/MWh

Preço médio: R$ 130,86/MWh

Duração do contrato: 20 anos

Início de operação: LER: set-2013 / LFA: jan-2013 - EOL: 399 / 10.569 MW - BIO: 61 / 3.706 MW - PCH: 18 / 255 MW CE: 150 MW RS: 245,8 MW RN: 1.064,6 MW BA: 587,4 MW

LEILÕES 2011

Leilões de Reserva e A-3 2011

Além de eólica e biomassa, no de reserva, o leilão A-3 teve a participação de termelétricas movidas a gás natural, PCHs e a ampliação da usina hidrelétrica de Jirau.

Empreendimentos Habilitados: 321

Potência Habilitados : 14.083 MW

Eólica:

Empreendimentos contratados: 78 (LER: 34, LFA: 44)

Potência contratada: 1.928,8 MW (LER: 861,1, LFA: 1.167,7)

Preço inicial: LFA: R$ 139 / LER: R$ 146

Preço médio: LFA: R$ 99,58 / LER: R$ 99,54

Duração do contrato: 20 anos

Início de operação: março de 2014 - EOL: 240 / 6.052 MW - GÁS: 10 / 4.388 MW - BIO: 43 / 2.750 MW - PCH: 27 / 443 MW - JIRAU: 1 / 450 MW CE: 278,1 MW RS: 624,4 MW RN: 458,2 MW BA: 414,4 MW PE: 78 MW PI: 75,6 MW

LEILÃO A-5 2011

Leilão A-5

Participantes: hidrelétrica, eólica e termelétrica a biomassa. Energia necessária para atender a demanda

do mercado depois de 5 anos

Empreendimentos Habilitados: 231

Potência Habilitados : 6.286 MW

Eólica:

Empreendimentos contratados: 39 (Total: 42)

Potência contratada: 976,5 MW (81%)

Preço inicial: R$ 112,00 / MWh

Preço médio: R$ 105,02/MWh

Duração do contrato: 20 anos

Início de operação: janeiro de 2016 - EOL: 205 / 5.149 MW - BIO: 13 / 602 MW - PCH: 8 / 147 MW - HIDRO: 5 / 388 MW CE: 328 MW RS: 119,6 MW RN: 321,8 MW BA: 149,5 MW MA: 57,6 MW

LEILÃO 2012

Devido à baixa demanda de contratação pelas distribuidoras, o leilão A-3 foi cancelado e o A-5 contratou apenas 302,2MW médios.

Leilão A-5: Participação de todas as fontes.

Empreendimentos Cadastrados: 585 / 25 GW Empreendimentos Habilitados: 525 / 14,2 GW Eólica: Empreendimentos contratados: 10 Potência contratada: 281,9 MW Preço inicial: R$ 112,00 / MWh Preço médio: R$ 87,94 / MWh

Duração do contrato: 20 anos

Início de operação: 2017 - EOL: 484 / 11.879 MW - GÁS: 2 / 363 MW - BIO: 10 / 583 MW - PCH: 22 / 363 MW - HIDRO: 7 / 988 MW RS: 28 MW BA: 52,5 MW MA: 201,6 MW

RESUMO CONTRATAÇÕES EÓLICA

POTENCIAL EÓLICO NO BRASIL

ESTRUTURA TÍPICA DE UMA USINA EÓLICA Linha de Transmissão em Alta Tensão Subestação Elevadora do Parque Eólico Subestação da Concessionária

Rede distribuição elétrica interna do Parque Eólico em Média Tensão

Fronteira de Custos considerada na Avaliação dos Projetos

RESUMO CONTRATAÇÕES DESENVOLVEDORES

Fonte: http://www.bioenergy.com.br/negocios.php - 25/02/2013

Energia Negociada em Leilões de Energia no Brasil (MW)

Capacidade Instalada Negociada (MW)

311,6 0 332,4 13 301,6 92 289,1 170 334,0 158 541,0 41 676,8 144 804,4 28,8 362,1 652 1.016,0 42 VOLTALIA GESTAMP ENEL IBERDROLA ENERFIN ELETROSUL IMPSA BIOENERGY CPFL RENOVA Em Construção Em Operação

RESUMO CONTRATAÇÕES FABRICANTES

Fonte: Valor Econômico

Aerogeradores Torres Pás Fundição

Operação Construção Planejado

NE

_SE

_SUL

FORNECEDORES LOCAIS

1. A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva; Energia eólica: Aspectos

técnicos,regulatórios e comerciais; Natal, RN, Brasil 19 a 23 de Julho de

2010; CTGAS-ER (2010)

2. E. Hau, Wind turbines – “Fundamentals, technologies, application,

economics” (2005), Springer, 2nd edition Munich, Abril 2005.

3. Principais Parques Eólicos Implementados e Projeções – CRESEB;

Disponível em

http://www.cresesb.cepel.br/apresentacoes/20081030_natal_br08.pdf; consultado em 24/03/2011

4. G. V. Rossen, Melle turbine E-82 voorbeeld installatie (2011) Disponível em http://guidohome.com/windturbines%20enercon.html; consultado em 30/11/2011

5. World Wind Energy Association; Wind Energy Technology and Planning

(2011) Disponível em

http://www.wwindea.org/technology/ch01/en/1_2_3_2.html; consultado em 30/11/2011

6. T. Wizelius, (2007), Developing Wind Power Projects, Earthscan, London. ISBN-13: 978-1-84407-262-0, ISBN-10: 1-84407-262-2.

7. Enercon (2011) Disponível em http://www.enercon.de/p/downloads/EN_Productoverview_0710.pdf; consultado em 07/04/2011 8. Vestas (2011); Disponível em http://www.vestas.com/Admin/Public/Download.aspx?file=Files%2fFiler%2fE S%2fBrochures%2fV82_ES.pdf; consultado em 10/04/2011

9. Atlas de Energia Elétrica do Brasil – ANEEL (2011); Disponível em

http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_eolica/6_3.htm; consultado em 28/03/2011

10. R. M. G. Castro, Energias Renováveis e Produção Descentralizada:

Introdução à Energia Eólica (2009) Instituto Superior Técnico,

Universidade Técnica de Lisboa, DEEC / Área Científica de Energia, Lisboa, Portugal, Disponível em

http://enerp4.ist.utl.pt/ruicastro/download/Eolica_ed3p1.pdf; Consultado

em 12/04/2011.

INTRODUÇÃO

VENTO NA SUPERFÍCIE E CAMADA LIMITE

Camada limite

Laminar

Turbulento _{Wind Power Offshore – Gotland University (2009)}

Mar Litoral Floresta Planície sem vegetação

VENTO NA SUPERFÍCIE E CAMADA LIMITE

Camada limite

COMPRIMENTO DE RUGOSIDADE

• Comprimento de Rugosidade (z₀): Altura da superfície onde a velocidade do vento é nula.

F.R. Martins, R.A. Guarnieri, E.B. Pereira (2007)

Onde:

v = Velocidade do vento a determinar (m/s) v_ref = velocidade do vento medida (m/s)

z = Altura do cubo (m)

z_ref = Altura de medição do vento (m)

COMPRIMENTO DE RUGOSIDADE

COMPRIMENTO DE RUGOSIDADE

• Perfis verticais de vento para diferentes comprimentos de rugosidade

EXPOENTE VERTICAL 



















z

z

v

v

v = Velocidade do vento a determinar (m/s) v_ref = Velocidade do vento medida (m/s)

z = Altura da velocidade a determinar (m) z_ref = Altura de medição do vento (m)

 = Constante em função da estabilidade atmosférica e rugosidade (adimensional)

T. Wizelius, (2007) ref ref

v

z

z

v



















VALOR DE  EM FUNÇÃO DO AMBIENTE

Classe

Ambiente



0

Águas abertas, lagos oceanos,

0,1

1

Planícies de vegetação, desertos, terreno plano.

0,15

2

Área cultivada, fazendas.

0,2

3

Vilas e florestas baixas.

0,3

OROGRAFIA

Efeitos orográficos: colina suave

POTÊNCIA CINÉTICA DISPONÍVEL NO VENTO

2

2

v

A

t

v

L

A

t

E

P























v

2

v

V

E

V

m

V

m























2

v

L

A

E











P = Potencia disponível no vento (W) ρ = Densidade do vento (kg/m3₎

A = Área do rotor (m2₎

v = Velocidade do vento (m/s)

Considerando ρ = 1,225 kg/m3

LIMITE DE BETZ

Em 1926, o físico alemão Albert Betz, publicou o livro “Energia Eólica” no qual afirmou que uma turbina eólica ideal só pode diminuir a velocidade do vento em 2/3 de sua velocidade original, ou seja, não é possível converter mais do que 16/27 (ou 59%) da energia cinética contida no vento.

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 v2/v0 P e x tr /P c

Energia cinética máxima extraída: 59% ou 16/27

POTENCIA EÓLICA DISPONÍVEL E UTILIZÁVEL

Wind Power Offshore – Gotland University (2009) 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Velocidade (m/s) P ot e nc ia do V e nt o (W /m 2 )

Potencia disponível no vento Potencia Utilizável do vento

POTÊNCIA MECÂNICA EXTRAÍDA









_

_

_

_





mec P extr mec

T

t

E

t

E

v

A

C

P

2

2







I

E

Perdas por

atrito

Potência

mecânica

disponível

Parâmetros Eólicos de Projeto: Distribuição de Velocidades

Registros 10 minutos: 1 ano = 365 dias x 24h x 6 = 52.560

0 5 10 15 20 25 0% 2% 4% 6% 8% 10% Fr equênc ia Velocidade do vento (m/s) k c v k

e

c

v

c

k

v

f



















)

(

Parâmetros Eólicos de Projeto: Distribuição de Velocidades k c v k e c v c k v f                 1 ) ( k c v e v F         1 ) (

Função de Probabilidade Cumulativa

0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 5 10 15 20 25 Velocidade do vento (m/s) F re q u ê n c ia V1 V2 Distribuição de Velocidades 0% 2% 4% 6% 8% 10% 0 5 V1 10 V2 15 20 25 F re q u ê n c ia Velocidade do vento (m/s)

Densidade de Probabilidade versus Distribuição acumulada

Weibull 0% 3% 6% 9% 12% 15% 18% 0 5 10 15 20 25 Velocidade do vento (m/s) Fr e quê nc ia ( % ) k=2 k=3 k=4



































C

V

V

P

(

)

1

exp

Vmed é o valor médio de V C é o parâmetro de escala k é o parâmetro de forma

Rayleigh (k=2)

versus

CAPÍTULO 4: CONVERSÃO DA ENERGIA

CINÉTICA DO VENTO

PERFIS (AEROFÓLIOS)

Qualquer seção da asa ou de uma pá cortada por um

plano paralelo ao plano x-z é chamada de aerofólio.

FORÇA E MOMENTO

As forças e momentos em aerodinâmica agem sobre um corpo, basicamente, devido a dois fatores:

1. Distribuição de pressão 2. Tensão de cisalhamento

A pressão age na direção normal ao corpo enquanto que a tensão de cisalhamento age tangencialmente ao corpo. Ambos tem unidade de força por unidade de área

A resultante R, pode ser decomposta nas seguintes componentes:

L = sustentação = componente de R perpendicular à direção de V ∞.

D= arrasto = componente de R paralela à direção de V ∞. FORÇA E MOMENTO

COEFICIENTES ADIMENSIONAIS 2

2

1

V

q





Considerando a pressão dinâmica, q, como quantidade dimensional inerente às forças aerodinâmicas e S, a área de referência.

S

q

L

C





S

q

D

C





l

S

q

M

C







Coeficiente de Sustentação (Lift):

Coeficiente de Arrasto (Drag):

COEFICIENTES ADIMENSIONAIS

Os símbolos com letras maiúsculas estão associados a forças e momentos de corpos com geometria tridimensional, como asas finitas e aviões.

No caso de geometrias bidimensionais, como aerofólios, as forças e momentos são dados por unidade de comprimento e os coeficientes aerodinâmicos são dados por letras minúsculas:

c

q

L

c







c

q

D

c







c

q

M

c







A FORÇA DE ARRASTO

A força de arrasto pode ser dividida em uma componente devido à pressão e outra devido a tensão de cisalhamento.

O arrasto em corpos não aerodinâmicos (como uma placa plana normal ou um cilindro) é predominantemente devido à efeitos de pressão. Por outro lado, no aerofólio, que é um corpo aerodinâmico, o arrasto é predominantemente devido a efeitos de viscosidade.

A FORÇA DE ARRASTO C_d = 1.33 v C_d = 0.34 v C_d = 1.11 v a:b = 1 C_d = 1.11 a:b = 4 C_d = 1.19 a:b = 10 C_d = 1.29 a:b =  C_d = 2.01 v a b A A

A FORÇA DE SUSTENTAÇÃO

A força de sustentação gerada por uma superfície plana, ou quase plana, é resultado da diferença de pressão entre os seus lados.

Esta diferença de pressão é obtida por:

Inclinação

A CONDIÇÃO DE KUTTA

O escoamento se divide em um ponto localizado na parte inferior do aerofólio, o chamado ponto de estagnação. O ar não escoa pelo caminho mais curto. O escoamento prefere contornar o “bico” do aerofólio, isto é, o bordo de ataque. Conseqüentemente, o escoamento na região do bordo de ataque tem, em um pequeno trecho, sentido contrário aquele do escoamento não perturbado.

A força de sustentação depende da viscosidade do ar, uma vez que a não simetria do escoamento real produz uma diferença entre a pressão das superfícies e, conseqüentemente, gera sustentação.

Caso real

(com viscosidade)

Escoamento ideal (sem viscosidade)

PRINCÍPIO DE BERNOULLI

Energia Cinética

(velocidade)

Energia Potencial

(pressão)

velocidade

aumenta

pressão

reduz

SUSTENTAÇÃO DE UM AEROFÓLIO

Pressão baixa relativa

O ar escoa na direção da área de baixa pressão acima do aerofólio, em seguida é desviado para baixo, ao passar pelo aerofólio.

3ª Lei de Newton: para toda ação há uma reação igual no sentido contrário. “A reação ao desvio do escoamento para baixo, é em fato, esta força

imcompreendida chamada de sustentação” Schiff p. 8

ANGULO DE ATAQUE

sustentação

total

O ângulo de ataque é o ângulo entre a linha de corda e o vento médio relativo.

O aumento do ângulo de ataque faz aumentar a sustentação (até certo ponto).

perfil FX38-153

• apresenta estol em maiores ângulos de ataque; e • o estol é menos suave do que o perfil FX67-K-170.

estol

Estol acontece quando o escoamento não consegue seguir o contorno do aerofólio, isto é, a camada limite descola do corpo.

O ESTOL DO PERFIL



baixo



<



_estol

A PÁ

Fonte:

r

Características aerodinâmicas

Corte transversal de uma pá

q = ângulo de passo -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 -15 0 15 30 45

ângulo de incidência (graus)

Cl Cd Cl/Cd D q  f r V₀ V rel Plano de rotação L

f = ângulo de incidência (rotor)

 Empuxo Força tangencial Arrasto Sustentação r v_eff v´ v   = Angle of attack

Local inflow to the rotor blade cross sections and the resulting aerodynamic forces at an

optimum lift coefficient c_l

v_ velocidade não perturbada v´ velocidade reduzida

r velocidade escalar do ponto

v_nominal P o tê n c ia Velocidade

Controle de Potência

- Controle por pitch

Velocidades Induzidas

Considerando que o fluxo de ar incidente tem sua velocidade reduzida de acordo com o

fator de indução axial a e que o fluxo sofre uma rotação de acordo com o fator de

indução rotacional a’, as velocidades resultantes sobre o perfil da pá ficam da seguinte

forma: Hasen (2008) D q  f r(1+a’) V₀(1-a) V rel Plano de rotação L

FORÇAS RESULTANTES Plano de rotação q  f r(1+a’) V₀(1-a) V rel

f = ângulo de incidência (rotor)

 = ângulo de ataque (perfil)

q = ângulo de passo f f sen cos    Cl Cd Cn f f cos sen    Cl Cd Ct c V Fn Cn rel    ₂ 2 1



dr

Fn

B

dT







dr

Ft

B

r

dM









Efeito Esteira

J. Sorense (2011)

Desenvolvimento da Esteira ao longo de 3 rotores em linha.

Número de Pás / Diagrama Cp x



Tip speed ratio 

Ro to r p o we r c o e ff ic ie n t cp

Ideal power coefficient according to Betz c_p = 16/27 Theoretical power coefficient for c_l/c_d = 

1 blade 2 blades 3 blades vertical axis Darrieus Dutch windmill

Multibladed (Western rotor)

Savonius rotor

CAPÍTULO 5: TECNOLOGIA DOS

AEROGERADORES

TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO ROTOR

Downwind. _Upwind.

E. Hau (2005) TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO EIXO

E. Hau (2005) TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO EIXO

TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: POSIÇÃO DO EIXO

E. Hau (2005)

Darrieus USA, Diâmetro do rotor 19 m, Potencia 170 kW.

H-rotor, Diâmetro do rotor 35 m, Potencia 300 kW

TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: NÚMERO DE PÁS

E. Hau (2005) TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA

R. M. G. Castro (2009)

Curvas de potência pitch (Aerogerador Bônus) e stall (Aerogeradores NEG Micon e Nordex)

E. Hau (2005) Atlas de Energia Elétrica do Brasil – ANEEL (2011) TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA

E. Hau (2005)

TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA

E. Hau (2005) TIPOS CONSTRUTIVOS DE AEROGERADORES: CONTROLE DE POTÊNCIA

CONCEITOS TECNOLÓGICOS

 Solidamente conectado a rede;  Não otimiza a potência eólica;

 Produz distúrbios de qualidade da energia:  Energização dos geradores e bancos de

capacitores;

 Chaveamento constante de unidades;  A estreita faixa de variação de velocidades

impede que o armazenamento inercial

minimize os distúrbios de origem mecânica, elétrica ou climática;

 Estresses elétricos perante afundamentos

de tensão.

Tipo A: Gerador de indução em Gaiola

 Controle da resistência do rotor por conversor

eletrônico (OptiSlip);

 Alterava o escorregamento para controle do torque

eletromagnético;

 O sinal é oticamente do estator para o rotor

transmitido do estator.

Tipo B: Controle da resistência do Rotor

Fonte: Tecnologia de Turbinas Eólica Prof. Selênio Rocha Silva

 Baixo custo do conversor que processa a

energia rotórica

 Vantagens da operação a velocidade variável;  Controle de potências ativa e reativa entre

aerogerador e rede;

 Desvantagens:

 Conexão sólida com a rede pelo estator  Utiliza caixa de multiplicação de velocidades.

Tipo C: Gerador de indução duplamente alimentado:

Tipo D: Gerador Síncrono:  Geradores síncronos com bobina de campo ou imãs

permanentes;

 Conversor de potência processa potência nominal;  Faixa de velocidades: ampla

 Vantagens da operação a velocidade variável;  Controle de potências ativa e reativa entre

aerogerador e rede;

 Desacoplamento entre dinâmica elétrica e mecânica;  Ausência da caixa de multiplicação de velocidades.

Fonte: Tecnologia de Turbinas Eólica Prof. Selênio Rocha Silva

Fonte: Hansen, A. & Hansen L., Wind Energy, 2006.

Tendências

• Domínio do conceito C nos próximos

anos

• Potencial de crescimento do conceito D

• Utilização de velocidade variável

• Emprego de suporte à rede elétrica

• Utilização do conceito A limitado a

condições da rede

Fonte: Tecnologia de Turbinas Eólica Prof. Selênio Rocha Silva

1. spinner

2. suporte do spinner suporte 3. pá 4. rolamento de “pitch” 5. cubo do rotor 6. rolamento principal 7. eixo principal 8. caixa de multiplicadora 9. freio a disco 10. acoplamento 11. gerador 12. serviço de guindaste 13. sensores meteorológicos 14. torre 15. Anel de yaw 16. Engrenagem de yaw 17. estrutura da nacele 18. filtro de óleo 19. cobertura 20. ventilador de gerador P extraída

A

V

C

P











2

1

_

COMPONENTES DE AEROGERADORES: FUNDAÇÃO

E. Hau (2005)

• Suportar o peso, evitar que o mesmo afunde, atuar como contrapeso para evitar o tombamento do aerogerador. Depende das características do solo

COMPONENTES DE AEROGERADORES: TORRE

E. Hau (2005)

• Treliçadas • Metálicas

COMPONENTES DE AEROGERADORES: ROTOR

Rossen (2011)

• Pás

• Sistema de pitch • Cubo

COMPONENTES DE AEROGERADORES: PÁS

• Fibra de vidro Epoxy/Poliester • Sistema de para raios

• Sistema anticongelamento

COMPONENTES DE AEROGERADORES: CUBO

COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE ACIONAMENTO

COMPONENTES DE AEROGERADORES: CAIXA MULTIPLICADORA

E. Hau (2005)

• Vários estágios (Três estágios, planetário) • Perdas 1% por estagio

COMPONENTES DE AEROGERADORES: ROLAMENTO PRINCIPAL

COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE FREIOS

COMPONENTES DE AEROGERADORES: ACOPLAMENTOS

E. Hau (2005)

• Flexíveis

• Entre a caixa multiplicadora e o gerador

COMPONENTES DE AEROGERADORES: GERADOR ELÉTRICO

E. Hau (2005) World Wind Energy Association (2011)

COMPONENTES DE AEROGERADORES: CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA

COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE PITCH

COMPONENTES DE AEROGERADORES: SISTEMA DE YAW

A. B. Fernandes, P. A. C. Rosas & C. C. Silva (2010) E. Hau (2005)

EXIGÊNCIAS NORMATIVAS: SISTEMA DE SEGURANÇA E CONTROLE

O sistema de segurança deve ser ativado nos seguintes casos

• Sobrevelocidade;

• Sobrecarga ou falha no gerador; • Vibração excessiva;

• Torção excessiva dos cabos da nacele

Os principais parâmetros a serem controlados são:

• Potência de geração;

• Velocidade rotacional da turbina; • Conexão à rede elétrica;

• Procedimentos de partida e parada do equipamento; • Torção dos cabos que se conectam à nacele;

EXIGÊNCIAS NORMATIVAS: SISTEMA DE FREIOS

• Deve haver ao menos dois sistemas de freio independentes • Um dos freios, no mínimo, deve ser capaz de parar

completamente o rotor

• Cada sistema de freio deve ser capaz de freiar o rotor a partir da rotação máxima de projeto considerando que:

a) o outro sistema de freio está com defeito; e

b) perdeu-se conexão com a rede elétrica

• Um dos freios deve atuar diretamente no rotor ou em elemento diretamente conectado ao rotor

• O comando de freio deve ser acionado, ou medidas de segurança devem ser tomadas, caso a fonte de energia externa seja perdida; • O comando e a execução da função freio deve ser exercida

http://www.rothaarwind.de/windenergie/mod_content_page/seite/Maschinengondel_einer_Enercon_E82/

http://www1.enercon.de

Curva de Potência 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 Velocidade do Vento (m/s) Po tê nc ia (k W ) IWP-70 1,5MW IWP-83 2,1MW IWP-100 2,0MW V-77 - 1,5MW http://www.impsa.com/pt/produtos/impsawind/SitePages/produtos.aspx

http://12.47.107.230/prod_serv/products/wind_turbines/en/downloads/GEA14954C15-MW-Broch.pdf Curva de Potência 0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0 1400,0 1600,0 1800,0 0 5 10 15 20 25 Velocidade do Vento (m/s) Po tê nc ia (k W ) GE 1.5 - 77 GE 1.6 - 82.5 GE 1.6 - 100

Curvas de Potência 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 Velocidade do Vento (m/s) Po tê nc ia (k W ) V82 -1.65 MW V90-1.8 MW V100 -1.8 MW V80-2.0 MW http://www.vestas.com

Fonte: http://www.suzlon.com/pdf/S9xsuite_06A_16-6-11.pdf

CAPÍTULO 6: CERTIFICAÇÃO E

AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE

CERTIFICAÇÃO DE AEROGERADORES

Para um aerogerador ser comercializado internacionalmente é necessário que ele

possua certificados de conformidade.

Certificação é a confirmação da conformidade

de um produto ou um serviço com os requisitos definidos (EN 45020).

Certificação de Tipo é o procedimento pelo qual

um organismo de certificação dá garantias por escrito que um tipo de turbina eólica está em conformidade com os requisitos especificados

(IEC 61400-22).

IEC: Certificação de Tipo e a Certificação de Projeto de Parque Eólico:

Avaliação do Projeto Básico Avaliação do Projeto Avaliação da Fabricação Ensaios de Tipo Medições das Características de Tipo Avaliação Final Certificação de Tipo Avaliação do Projeto da Fundação Avaliação da Construção da Fundação

Módulos da Certificação de Tipo IEC 61400-22

Testes de segurança e função Desempenho de potência Cargas mecânicas Outros testes Teste de pás

Exigência para Habilitação nos Leilões: Curva de potência certificada.

Qualidade de Energia Suportabilidade ao afundamento de tensão Ruído acústico Módulos Opcionais

V_ave – Velocidade média anual do vento V_ref – Velocidade de referência do vento

Definida como a velocidade extrema média de 10 minutos com ocorrência esperada para um período de 50 anos.

A razão é constante para todas as classes ₅ V

V

ave ref _

Fonte: IEC 61400-1 ed. 2005 CLASSES DE AEROGERADORES

CLASSES DE AEROGERADORES X DIÂMETRO DO ROTOR P o tên ci a Es p e cí fi ca ( W /m 2 ) 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 E7 0 E4 8 SW T 2 .3 -82 V80 -2 .0 M W G 8 0 -2 .0 M W IW P -7 0 1 ,5 M W IW P -8 3 2 ,1 M W EC O 1 0 0 -3 .0 M W E8 2 S8 8 –2 .1 M W SW T 2 .3 -93 G 8 7 -2 .0 M W EC O 8 0 -1 .6 7 M W G E 1 .5 -77 V -77 -1 ,5 M W EC O 1 1 0 -3 .0 M W G 9 0 -2 .0 M W V82 -1 .6 5 M W G E 1 .6 -8 2 .5 S9 5 -2 .1 M W EC O 8 6 -1 .6 7 M W SW T 2 .3 -101 V90 -1 .8 M W S9 7 -2 .1 M W G 9 7 -2 .0 M W IW P -1 0 0 2 ,0 M W V100 -1 .8 M W G E 1 .6 -100 Classe I Classe II Classe III

Curva de Potência 0 500 1000 1500 2000 2500 0 5 10 15 20 25 Velocidade do Vento (m/s) Po tê nc ia (k W ) S88–2.1 MW S95-2.1 MW S97-2.1 MW

O principal objetivo do ensaio de desempenho de um aerogerador é a definição de sua curva de potência para permitir sua comercialização.

Procedimentos: IEA 1: 1ª Ed em 1982

IEC 61400-12 (1998) / IEC 61400-12-1 (2005)

D

Distância: 2D a 4D (2,5D)

A medição da velocidade do vento deve ser realizada com anemômetro de copo

Velocidade do Vento

Potência Elétrica

A área de testes deve apresentar relevo simples, com baixa declividade e ser livre de obstáculos.

MEDIÇÃO DO DESEMPENHO

:

Configuração do local de medição

Caso o relevo do local possa causar uma variação na velocidade do vento entre a torre de medição e o aerogerador superior a 1%, deve-se realizar a calibração do local

MEDIÇÃO DO DESEMPENHO

:

Configuração do local de medição

Calibração do Local (site calibration):

Comparação entre a torre anemométrica de referência e a medição da torre na posição do aerogerador.

MEDIÇÃO DO DESEMPENHO

:

Área de Testes de Aeogeradores

MEDIÇÃO DO DESEMPENHO :

Medição da Velocidade do vento

Instrumento

para Medição: Taxa de Amostragem: _{Tempo de integração: 10 minutos} 1 Hz

Calibração Antes dos testes – Calibração Depois dos testes < 0,1 m/s entre 6 e 12m/s Calibração: Definição em túnel de vento da função de relação entre a taxa de

MEDIÇÃO ANEMOMÉTRICA : Outros sensores e sua disposição na torres

Sensor de Direção

(Verificar setores válidos)

Barômetro

(Cálculo da Densidade)

Termômetro

(Cálculo da Densidade)

Higrômetro (umidade)

Não é obrigatório, mas recomendado para locais que sejam quente e úmido.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 V e lo c id a d e d o v e n to ( m /s ) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 P o tê n c ia E lé tr ic a ( k W ) Vento Potência

Número Intervalo Intervalo em (m/s) Velocidade média (m/s) Potência média (kW) Coeficiente de Potência Número de dados 1 0 a 0,75 0,44 0,0 0,00 49 2 0,75 a 1,25 1,05 0,0 0,00 123 3 1,25 a 1,75 1,55 0,0 0,00 357 4 1,75 a 2,25 2,01 0,0 0,00 513 5 2,25 a 2,75 2,52 1,4 0,03 782 6 2,75 a 3,25 3,02 10,0 0,14 1154 7 3,25 a 3,75 3,52 29,1 0,25 1999 8 3,75 a 4,25 4,01 58,2 0,34 2674 9 4,25 a 4,75 4,50 92,8 0,39 2957 10 4,75 a 5,25 5,01 134,9 0,41 3167

DEFINIÇÃO DA CURVA DE POTÊNCIA

Curva de Potência e Coeficiente de Potência

0,0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0 1200,0 1400,0 1600,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Velocidade do Vento (m/s) Po tê n c ia El é tr ic a (k W ) 0,00 0,15 0,30 0,45 0,60 C o e fi c ie n te d e Po tê n c ia , C p

CÁLCULO DA PRODUÇÃO ANUAL DE ENERGIA





e

V

F

(

)

1

Probabilidade de Ocorrência:

i Vel Pot PotMED F(Vi+1) F(Vi) F(Vi+1)-F(Vi) Horas Energia

m/s KW KW % % % por ano KWh 1 0,45 0,00 0,00 0,15% 0,01% 0,01% 1,1 0 2 1,04 0,00 0,00 0,50% 0,15% 0,14% 12,4 0 3 1,55 0,00 0,00 1,11% 0,50% 0,35% 30,7 0 4 2,01 0,00 0,70 2,17% 1,11% 0,60% 52,8 37 5 2,52 1,40 5,70 3,69% 2,17% 1,06% 93,2 531 6 3,02 10,00 19,55 5,82% 3,69% 1,52% 133,0 2.600 7 3,52 29,10 43,65 8,44% 5,82% 2,13% 186,8 8.152 8 4,01 58,20 75,50 11,77% 8,44% 2,62% 229,5 17.324 9 4,50 92,80 113,85 15,80% 11,77% 3,33% 291,8 33.224               





1

)

(

e

V

F

1 ano = 8760 horas

CÁLCULO DA PRODUÇÃO ANUAL DE ENERGIA

i Vel Pot PotMED F(Vi+1) F(Vi) F(Vi+1)-F(Vi) Horas Energia

m/s KW KW % % % por ano KWh 1 0,45 0,00 0,00 0,15% 0,01% 0,01% 1,1 0 2 1,04 0,00 0,00 0,50% 0,15% 0,14% 12,4 0 3 1,55 0,00 0,00 1,11% 0,50% 0,35% 30,7 0 4 2,01 0,00 0,70 2,17% 1,11% 0,60% 52,8 37 5 2,52 1,40 5,70 3,69% 2,17% 1,06% 93,2 531 6 3,02 10,00 19,55 5,82% 3,69% 1,52% 133,0 2.600 7 3,52 29,10 43,65 8,44% 5,82% 2,13% 186,8 8.152 8 4,01 58,20 75,50 11,77% 8,44% 2,62% 229,5 17.324 9 4,50 92,80 113,85 15,80% 11,77% 3,33% 291,8 33.224



(

)

(

)



2

)

(

)

(

8760

U

F

U

F

U

P

U

P

E

























FATOR DE CAPACIDADE

Nominal

Potência

horas

8760

Energia

de

Anual

Produção





FC

REFERÊNCIAS

AERODYNAMICS OF WIND TURBINES, Hansen , Earthscan, 2a edição, 2008. WIND ENERGY ENGINEERING, Pramod Jain, Mac Graw Hill

WIND ENERGY EXPLAINED: THEORY, DESIGN AND APPLICATION, James F. Manwell

(Autor), Jon G. McGowan (Autor), Anthony L. Rogers (Autor)

WIND ENERGY HANDBOOK, Tony Burton (Autor), David Sharpe (Autor), Nick Jenkins

(Autor), Ervin Bossanyi (Autor)

JOHANSEN, J., SØRENSEN, N. N., Aerodynamic investigation of Winglets on Wind

Turbine Blades using CFD, Risø National Laboratory, Roskilde, 2006.

MOLLY, J. P., Energia Eólica – Aerodinâmica, Dewi GmbH, Rio de Janeiro, 2009. IEC 61400-12-1: Wind Turbines – Part 12-1: Power Performance Measurements of

Electricity Producing Wind turbines, 2005-12

CAPÍTULO 7: IMPACTOS

AMBIENTAIS

INTRODUÇÃO

IMPACTOS AMBIENTAIS

T. Wizelius, (2007) Impactos ambientais na flora e fauna

• A flora pode ser afetada durante a etapa de construção ou por câmbios nas condições hidrológicas devido à fundação, valas dos cabos, entre outras. Em condições normais isso é raramente um problema.

• No que diz respeito à fauna, o risco por impactos de aves tem sido

RUÍDO

MECÂNICO

• Caixa multiplicadora;

• Gerador e outros componentes mecânicos rotatórios

AERODINÂMICO

• Pás

EMD - WindPro Decibel Report (2011)

Enercon (2011)

LIMITES DE RUÍDO

NBR 10151 - (2003)

Acústica - Avaliação do ruído em áreas habitadas, visando o conforto da comunidade – Procedimento

SOMBRA

IMPACTO VISUAL

EMD - WindPro Photomontage Report (2011) IMPACTO VISUAL

LEGISLAÇÃO AMBIENTAL

A legislação ambiental se encontra estabelecida na

resolução CONAMA 237/1997.

As licenças estabelecidas conforme legislações federais

pelas resoluções CONAMA 6/1987 e 279/2001 são:

• Licença Previa (LP),

• Licença de Instalação (LI),

• Licença de Operação (LO),

• Licença Simplificada (LS)

GERAÇÃO DE EMPREGOS

• Empregos: A indústria eólica já possui hoje mais de 12 mil postos de trabalho na fabricação de aerogeradores

• Serão criados cerca de 20 mil empregos diretos na construção de parques eólicos até 2016, sendo muitos destes empregos de mão de obra local

1. Mercurius (2011) Disponível em

http://www.mercurius.com.br/portifolio/energias-alternativas/usina-eolica-de-parajuru; consultado em 25/03/2011

2. T. Wizelius, (2007), Developing Wind Power Projects, Earthscan, London. ISBN-13: 978-1-84407-262-0, ISBN-10: 1-84407-262-2.

3. EMD - WindPro Decibel Report (2011); disponível em

http://www.emd.dk/WindPRO_Modules/PDF/EN/EN_DECIBEL_rapporter.pdf

; consultado em 19/04/2011. E. Hau, Wind turbines – “Fundamentals,

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técnicos,regulatórios e comerciais; Natal, RN, Brasil 19 a 23 de Julho de

2010; CTGAS-ER (2010)

www.ctgas.com.br

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