Energia Eólica

”A Energia é a eterna Alegria” – William Blake

Carlos Mauricio Milla Richard 2014

Agenda

Conexão com a Rede

Impacto Ambiental

Proteção, Aterramento e Fundação

Conexão com a Rede

Conexão de um parque eólico no sistema elétrico é um dos pontos mais importantes de um projeto eólico

Análise documentação técnica para permissão de conexão de um parque eólico à rede

Exigências são examinadas e validadas no ponto de conexão

Onde fica esse ponto ? Normalmente definido como do lado de AT do transformador elevador do parque

A exigência principal é o limite do desvio de tensão causado pelo parque eólico no ponto de conexão

A potência de curto-circuito no ponto de conexão é o valor decisivo para a instalação ou não do sistema

Conexão com a Rede

Um parque eólico modifica o fluxo de energia na rede e em geral a tensão aumenta no ponto da interface

Problemas de estabilidade de tensão podem ocorrer, e, para solucionar tal questão, algumas medidas devem ser tomadas, como reforçar a LT

Fazer um estudo do fluxo de potência, de regime permanente e de transitórios eletromagnéticos

Com a análise desses dados podemos saber se uma linha de transmissão ou alimentador é robusta o suficiente para receber o fluxo de energia que é injetado pelo parque

Conexão com a Rede

Em qualquer sistema de potência, a potência ativa gerada e consumida precisa ser equilibrada em tempo real, qualquer distúrbio a esse equilíbrio causa um desvio de frequência

Com o aumento da demanda, a frequência do sistema cai, e, para uma diminuição da demanda, a frequência então aumenta

Cuidados com a Conexão

Para conectar uma turbina eólica com a rede elétrica, devem ser tomadas precauções como: Rápida desconexão do gerador, no caso de a tensão ou

frequência da rede exceder ou cair a certos limites

Compensação para potência reativa(exige capacitores no sistema elétrico. Além disso, os inversores emitem harmônicos que precisam ser filtrador)

Conexão do gerador de indução apenas na faixa de aproximadamente 95% a 105% da velocidade síncrona.

As Linhas de Transmissão

• É preferível que se tenha LTs próximas ao parque eólico, caso contrário o empreendimento pode ser financeiramente não viável

As Linhas de Transmissão

• Há vários tipos de conexões, e a escolha certa depende de duas variáveis: a potência a ser instalada na rede e a tensão

As Linhas de Transmissão

• A transmissão é classificada de acordo com a Tabela a seguir

As Linhas de Transmissão

• Grandes parques eólicos, com mais do que 10 a 15MW, devem normalmente ser conectados a uma rede de AT

• Pequenos parques eólicos são quase sempre conectados a rede de MT, geralmente entre 15kV e 30kV

• Nos diversos casos de conexão, o equipamento e o custo da conexão são determinados por quatro fatores:

– Distância da turbina à rede

– Capacidade de tensão e transmissão da rede

– Controle de potência e equipamento elétrico da turbina

– Requisitos técnicos do uso das estações de energia em paralelo com a rede

As Linhas de Transmissão

• Linhas de transmissão sobrecarregadas atingem seu limite térmico quando a corrente elétrica esquenta o material condutor a uma temperatura acima da qual ele começa a amolecer

• O limite térmico da capacidade de condução de corrente dos condutores depende da temperatura ambiente, da velocidade do vento, da radiação solar, das condições de superfície do condutor e da altura acima do nível do mar

O Armazenamento de Energia

• A capacidade instalada de geradores eólicos no mundo sofre de um baixo fator de capacidade, de 30% ou menos, devido à variabilidade do vento

• A integração das já crescentes fontes renováveis de energia, como o vento, com o estoque de energia irá trazer uma ampla contribuição ao mix de geração

A Potência de Curto-Circuito

• A potência aparente de curto-circuito no ponto de conexão é fator determinante para a instalação ou não do sistema eólico

• Assim, deve-se saber a potência permitida dos geradores na entrada na rede

• A habilidade da rede de absorver distúrbios está diretamente relacionada ao nível da potência de curto-circuito

Redes Fracas e Redes Fortes

• A rigidez ou fragilidade de uma rede não é simplesmente tratada de modo independente

• Enquanto uma rede com algumas turbinas conectadas é considerada forte, a mesma rede pode ser caracterizada como fraca quando há um número maior de turbinas ligadas à ela

• Na instalação de um parque eólico em uma rede fraca, três opções devem ser consideradas: – Compensação apropriada de energia reativa – Reforço da rede – Uso de turbinas eólicas com saída controlável de potência

• Dizer qual das três opções é a escolha certa dependerá de planejamento e fatores econômicos

Análise da Relação de Curto-Circuito

• A análise da relação de curto-circuito é altamente importante no que se refere à conexão elétrica de um parque eólico

• A magnitude de potência de curto-circuito é justamente o que indica a melhor análise que deve ser feita

• Deve-se atentar para o fato de que os números indicados são usados para pequenos parques eólicos

O Custo de Transmissão Elétrica

• O custo de transmissão é o custo necessário para entregar uma unidade de energia (kWh) do parque eólico à rede. A energia entregue é calculada por:

em que Ee é a energia entregue(MWh), Ep é a energia produzida (MWh), P são as perdas (%) e U é a não disponibilidade (%)

O Nível de Compartilhamento Eólico da Energia

• A natureza imprevisível da penetração-alimentação de energia eólica leva à questão fundamental de saber se e em que medida as turbinas eólicas podem substituir as outras centrais de energia

• Isso sugere que o uso em grande escala da energia eólica é concebível apenas como um componente integrado ao sistema de alimentação convencional de energia

As Estratégias Operacionais e as Questões de Controle

• Na Europa, o conjunto de estações de energia alimentando a rede forma um sistema de energia conectado internacionalmente, que é dividido em três níveis: – Estações Básicas – Estações de Média Carga – Estações de Pico

• A ideia nessa estrutura é usar os vários tipos de estações de modo a minimizar os custos na geração

A Qualidade de Energia Elétrica

• As rápidas flutuações de potência entregadas por um parque eólico tendem a não ser percebidas pelo operador do sistema de transmissão

• O gráfico a seguir, mostra os impactos da energia eólica nos sistemas de potência divididos em diferentes escalas de tempo e comprimento

A Qualidade de Energia Elétrica

• Como a velocidade do vento não é constante e a potência elétrica num parque eólico varia com o cubo dessa velocidade, consequentemente teremos variações no valor da potência gerada

• Para definir qualidade de energia têm-se alguns componentes principais como:

– Variações de tensão

– Flickers de tensão

– Total de distorção harmônica

– Tensões transitórias causadas por distúrbios e faltas no sistema

A Qualidade de Energia Elétrica

• A figura a seguir mostra uma classificação dos diferentes fenômenos da qualidade de energia

A Qualidade de Energia Elétrica

• Os valores de qualidade de energia em questão são padronizados no Brasil pelo ONS

• É aceitável uma variação de tensão de até 5% e, relação à tensão nominal, porém dentro de uma determinada faixa de tensão que vai de 13,8kV a 440kV e dentro de uma faixa de frequência de 59,5 a 60,1Hz

• A tabela a seguir mostra as exigências de operação de tensão em regime permanente de alguns países

A Qualidade de Energia Elétrica

A Qualidade de Energia Elétrica

• A tabela a seguir mostra a faixa de frequência de operação de parques eólicos de alguns países europeus

Afundamento de Tensão

• Um afundamento de tensão é uma redução brusca da tensão, seguido de seu restabelecimento após um curto período de tempo

• A Aneel define tal afundamento como o evento em que o valor eficaz da tensão do sistema se reduz, momentaneamente, para valores abaixo de 90% da tensão nominal de operação, durante intervalo inferior a 3 segundos

Afundamento de Tensão

• Há várias causas de um afundamento de tensão, e as principais são: – Aberturas de chaves e religadores em subestações

ao ser desligado momentaneamente um alimentador

– Problemas causados por fenômenos naturais (tempestades)

– Falha em equipamentos no caso de sobrecarga, em que o sistema de proteção irá atuar ao desligar um alimentador

– Partida de motores de grande carga (indústria)

Afundamento de Tensão

• Os tipos de afundamento de tensão estão associados aos tipos de curto-circuito envolvidos, mostrados na figura a seguir e são classificados em: – Curto trifásico: representa 5% dos casos

– Curto monofásico(fase terra ou fase neutro): representa respectivamente 80 e 15% dos casos

– Curto bifásico

Harmônicos

• Harmônicos são distorções de tensão ou corrente, com frequência que são múltiplos inteiros da onda fundamental

• Não contribuem para a entrega de energia útil e ainda causam efeitos poluentes ao sistema elétrico, como aquecimento de motores, erros nas medições de energia elétrica

• Há um limite de distorção harmônica de tensão. O Brasil segue o procedimento de rede do ONS, de acordo com a tabela:

Flickers

• É a impressão subjetiva da variação de densidade da luz das lâmpadas

• Mesmo sendo aparentemente uma simples questão de desconforto visual, sabe-se que tal efeito pode provocar disfunção neurológica em pessoas que estão submetidas ao efeito

• A dificuldade comum devido às variações luminosas pode provocar dor de cabeça, dificuldades de raciocínio e desconforto visual

• Link exemplificando o efeito flicker

• https://www.youtube.com/watch?v=5A0OQ_4eA4A

Causas do Flicker

• Há flickers causados por flutuações de vento em linhas de transmissão de baixa tensão conectadas à rede

• Frequente chaveamento do gerador eólico em velocidades do vento em torno da velocidade de partida (cut in speed)

• As operações de comutação também produzem flickers

Tensões Transitórias

• Na partida de uma turbina eólica, a corrente transitória alcança cerca de sete vezes o valor de regime

• No caso de um parque eólico, todos os transitórios se somam, porém dificilmente todas as turbinas partirão em um mesmo instante

• Para isso existe um sistema de controle que evita a simultaneidade nas energizações

A Suportabilidade a Faltas (Fault Ride Through)

• Antes de 2001, todas as turbinas eólicas eram imediatamente desligadas quando da ocorrência de qualquer perturbação na rede

• Não era permitido que os geradores eólicos permanecessem conectados à concessionária quando a tensão no ponto de conexão caía abaixo de 85%

• Isso era feito para reduzir o risco de ilhamento

A Suportabilidade a Faltas (Fault Ride Through)

• Visando à estabilidade, os operadores do sistema aplicam requisitos de segurança e qualidade de energia

• Um desses requisitos é a capacidade que um sistema tem de suportar afundamentos de tensão

• Os requisitos são diferenciados de acordo com a tecnologia usada e variam entre os operadores do sistema

A Suportabilidade a Faltas no Brasil

Análise dos Códigos de Rede

Impacto Ambiental

• A energia eólica também pode produzir impactos ambientais, apesar de não estarem relacionados à emissão de gases ou resíduos

Impacto Visual

• O nível de impacto visual é influenciado por fatores como o tipo de paisagem, as cores e o números de pás, a quantidade e o design das turbinas

Impacto Sonoro

• Uma turbina eólica produz ruído, que, mesmo sendo mínimo pode gerar incômodo às pessoas em residências próximas

A Física do Ruído

• O nível de pressão sonora na vizinhança do parque eólico depende: – da velocidade do vento

– dos tipos de sistemas

– do número de turbinas

– e das características do local

Há duas principais categorias de fontes de ruídos de uma turbina eólica: mecânica e aerodinâmica

O Ruído Mecânico

• O ruído mecânico é gerado pelo maquinário na nacele, porém importantes fontes de ruído também são provenientes do gerador

O Ruído Aerodinâmico

• O ruído aerodinâmico das turbinas eólicas é a fonte de ruído mais importante das turbinas de grande porte

A Legislação e os Valores Praticados do Ruído

• Até o momento não há um único padrão de ruído internacional comum para os níveis de pressão sonora

• Na maioria dos países, os regulamentos definem limites superiores aos quais as pessoas podem ser expostas

• Esses limites variam de país para país e podem ter valores diferentes para horários noturnos e diurnos

O Impacto nas Aves

• O impacto total da energia eólica em pássaros, morcegos e outros animais é extremamente baixo comparado ao de outras atividades

Impacto Devido à Interferência com Ondas de Rádio e TV

• Turbinas eólicas podem interferir nas transmissões de ondas eletromagnéticas

• O relatório do Departamento de Defesa dos EUA conclui que: “os parques eólicos localizados dentro da linha de visada do radar têm o potencial de degradar a capacidade deste em desempenhar sua função primária”

• Pelo menos até 2006, ficou claro que a interferência de turbinas eólicas em radares ainda é um problema

Análise Crítica Ambiental

• A energia eólica produz eletricidade a partir da energia cinética do vento, sem produzir diretamente qualquer poluição ou emissões durante o processo de conversão, mas isso não significa que ela é livre de contaminação ou emissão de CO2

• A questão que se deve considerar é que há um impacto ambiental devido ao processo de fabricação das turbinas e ao processo de eliminação, o destino final, no fim do ciclo de vida da turbina

A Proteção Contra Raios

• O sistema de proteção de raios consiste em um receptor localizado na ponta da pá

• Dentro da pá, um fio metálico conecta o receptor a uma fita metálica flexível do cubo e assim ao sistema de aterramento da turbina

A Proteção Contra Raios

A Proteção Contra Raios

• Com relação às turbinas eólicas, os diferentes tipos de proteção contra raios são: – Sistemas de captação aérea nas pás

– Fitas de alta resistência e desviadores

– Condutores instalados dentro das pás

– Material condutor na superfície das pás

• A orientação oficial sobre a proteção de relâmpagos em turbinas eólicas é dada pela norma IEC 61400-24, que informa que o número de ataques de raios a turbinas eólicas depende basicamente de sua altura e localização

A Proteção Contra Raios

• Há alguns anos, se pensava que como as pás das turbinas eólicas eram feitas de material não condutor, então não era necessário fornecer uma proteção especial para elas

• A experiência dada por um grande número de parques eólicos mostra que tais ataques de raios ocorrem assim mesmo e podem causar danos catastróficos se um sistema de proteção adequado não tiver sido instalado

O Aterramento

• O aterramento típico de uma turbina eólica é disposto em forma de anel ao redor da base da fundação, conforme na figura a seguir

A Fundação

• A fundação da torre é determinada pelo tamanho da turbina eólica e pelas condições locais do terreno

• O tipo de turbina também terá influência no dimensionamento da fundação

A Fundação

OBRIGADO !

carlosmmrichard@gmail.com