Universidade do Estado de Mato Grosso Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Aula Energias Renováveis

Energia Eólica -- História

- Potencial eólico- Categorização das turbinas eólicas- Características das turbinas eólicas- Construção de turbinas eólicas

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Mapa Mundial – Pressão do Ar e Vento em Julho

• Movimento dos ventos e transporte de calor do equador para os pólos• Desvio norte-sul das células de circulação (diferença na quantidade de radiação do

equador até +/-30 latitude devido a rotação do planeta (células Headley)

Pressão do Ar Velocidade do Vento

Fraco MédioForte

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Mapa Mundial – Pressão do Ar e Vento em Janeiro

• Outras influências na geração de ventos são zonas pontuais de alta e baixa pressão (movimento do vento por rotação em torno das áreas de baixa pressão)

• Condições das temperaturas próximas à região costeira e zonas montanhosas

Pressão do Ar Velocidade do Vento

Fraco MédioForte

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Potencial Eólico Mundial

V < 3,6 m/s não utilizável3,6 – 4,6 m/s utilizável4,5 – 5,6 m/s bom5,6 – 8,6 m/s muito bom

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Desenvolvimento do uso da energia eólica

• Primeiras aplicações em moinhos de vento simples para irrigação ou em velas de balsas e barcos.

• Primeiros moinhos de vento com eixo vertical a partir do século XII (fronteira entre Irã-Afeganistão, depois China).

• A partir do século XVI "Moinho de vento holandês" com rotação de torre e pás eólicas.

• Direcionamento automático para captação do vento, ajuste do ângulo das pás e limitação de potência, a partir do século XIX.

• Na Europa, a partir do século XIX , cerca de 250 mil moinhos de vento ou turbinas eólicas com rotores de até 25 m diâmetro e uma potência entre 25-30 kW.

• Primeira Turbina eólica de grande porte em 1941 nos EUA com 1.250 kW.

Desenvolvimento do Uso da Energia Eólica

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Usinas Eólicas Históricas

Moinho Persa

Westernmill para bombeamento de água

Moinho Holandês com torre giratória

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

A Técnica - 500 vezes mais geração de energia desde 1980

Rotor (diâmetro)

Alt

ura

Ro

tor

PotênciaRotor (diâmetro)Altura RotorGeração Anual

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Maior Turbina do Mundo | Enercon 126 | 6 MW

Altura Rotor126 m

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Aula Energias Renováveis

Energia Eólica -- História- Potencial eólico

- Categorização das turbinas eólicas- Características das turbinas eólicas- Construção de turbinas eólicas

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Altura do Equipamento: Cada metro conta!

Altura da Turbina Eólica (m)

Velocidade Horizontal do Vento (m/s)

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Diferentes Alturas: Potências iguais – produção muito maior!

Altura Rotor

Altura Total

Potência Nom.

Diâmetro Rotor

Produção anual

Altura Rotor

Carga Total

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Efeito Esteira em Parque Eólico

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Velocidade do Vento e Potencial Eólico

3

2

1wAP

Wind⋅⋅⋅= ρ

Temperatur [°C]

-20 -10 0 10 20 30 40

Dichte

[kg/m³] 1,377 1,324 1,275 1,230 1,188 1,149 1,112

Estimativa Simplificada do Potencial Eólico

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 4 8 12 16 20 30 40 50

Windgeschwindigkeit [m/s]

Win

dle

istu

ng

[k

W]

Densidade

Temperatura

Po

ten

cia

l Eó

lico

(kW

)

Velocidade do Vento (m/s)

Onde:P = potência média do vento [W]

ρ = densidade do ar seco = 1,225 kg/m³w = velocidade média do vento [m/s]A = área do rotor [m²]

Nota: Uma turbina de um aerogeradormoderno possui entre 25% - 40% de eficiência (energia cinética-mecânica)

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Exercícios simplificados

Ex. 01:Dados do Aerogerador:

Diâmetro do Rotor (m): 16Velocidade média do vento [m/s]: 12

ρ = 1,225 kg/m³ Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40%

Resultados do Aerogerador:

Potência Instantânea (kW):Potencial Mensal (kWh):Potencial Anual (kWh):

Demanda atendida:

Sala de aula (A/C + iluminação):

3

2

1wAP

Wind⋅⋅⋅= ρ

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Exercícios simplificados

Ex. 01:Dados do Aerogerador:

Diâmetro do Rotor (m): 16Velocidade média do vento [m/s]: 12

ρ = 1,225 kg/m³ Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: 40%

Resultados do Aerogerador:

Potência Instantânea (kW): 85,121Potencial Mensal (kWh): 62.138,16Potencial Anual (kWh): 745.657,87

Demanda atendida:

Sala de aula (A/C + iluminação):

3

2

1wAP

Wind⋅⋅⋅= ρ

Ex. 02 – Utilize os dados do exercício anterior:

1 – Estimar consumo médio do campus da UNEMAT Sinop

2 – Calcular o diâmetro do rotor para atender a demanda do campus

3 – Calcular o rotor de um aerogerador para atender a demanda da própria residência com velocidade média do vento no meio urbano de Sinop na ordem de 3 m/s

4 – Calcular o rotor do aerogerador da residência para atender o pico de demanda

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Aula Energias Renováveis

Energia Eólica -- História- Potencial eólico- Categorização das turbinas eólicas

- Características das turbinas eólicas- Construção de turbinas eólicas

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Categorização das turbinas eólicas – Rotores Verticais / VAWT

- Forma dos Rotores verticais

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Fontes renováveis de energia – Energia EólicaCategorização das turbinas eólicas – Rotor Darrieus

Funcionamento de uma Turbina Eólica de 4 MW de acordo com o princípio de Darrieus

Local: Canadá Altura: 96 mDiâmetro: 64 mÁrea vento: 64 m²Diâmetro do mastro 5 m.

Velocidade média anual do vento a 700 km nordeste de Montreal: 9,2 m/s

Início de operação: ventos de 4,5 m/s,Fim da operação: ventos de 22,5 m/s Resistencia máxima: vento de 62 m/s

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Fontes renováveis de energia – Energia EólicaCategorização das turbinas eólicas – Rotor Horizontal / HAWT

Esquema de uma turbina eólica com rotorde eixo horizontal

ÁreaRotor

DiametroRotor

Pá Rotor

Casa de máquina com transmissão e Gerador

TorreAlturaRotor

Vista Frontal Vista Lateral

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Energia Eólica -- História- Potencial eólico- Categorização das turbinas eólicas- Características das turbinas eólicas

- Construção de turbinas eólicas

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30

Windgeschwindigkeit [m/s]

Leis

tung

sb

eiw

ert

cp

[1]

0

400

800

1200

1600

2000

2400

Le

istu

ng

[k

W]

Leistungsbeiwert cp [1]

Leistung [kW]

Nennwind-geschwindigkeit

Abschaltwind-geschwindigkeit

Auslegungswind-geschwindigkeit

Anlaufwind-geschwindigkeit

Enercon E 70:Equipamento com potência nominal de 2300 kW

Cut-in: Com ventos iniciais entre 2,5 - 4,5 m/s o freio do rotor é liberado e o aerogerador entra em operação.Atinge o coeficiente máximo de potência máxima com ventos entre 6 – 10 m/s.Velocidade Nominal do Vento (típico entre 10 - 16 m/s) o equipamento atinge sua potência nominal.Cut-out: Para não sobrecarregar o gerador elétrico, o sistema é desativado quando o vento atinge velocidades entre 20 –34 m/s.

Características do Sistema

Velocidade do Vento (m/s)

Po

tên

cia

No

min

al (

kW)

Co

efic

ien

te d

e P

otê

nci

a c

p(1

)

Velocidade do Vento (m/s)

Coef. Pot. (1)Pot. Nom. (kW)

Cut-in

Cut-out

Velocidade Nominal do Vento

Cpmáximo

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Efeito Estol:

• A teoria mais simples e antiga, de Johannes Juul desenvolvida na década de 50 na Dinamarca (conhecido também como conceito dinamarquês).

• As condições do fluxo do ar se alteram nas pás do rotor com a velocidade do vento• A partir de 14 m/s se inicia a perda de eficiência aerodinâmica (Efeito Estol) e forte turbulência nas

pás do rotor.• Este fenômeno aumenta com a velocidade do ar, limita e neutraliza o desempenho do equipamento

quanto a potência nominal.

Estol (Stall) – Perda de Eficiência / Sustentação

Vento Normal Vento Forte

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Fontes renováveis de energia – Energia EólicaConceito Pitch e Stall

Perda de eficiência aerodinâmica

Posição Stall Posição Pitch

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Escolha do Local – Classe de Rugosidade

A classe de rugosidade “0" pertence a áreas com água: mar e lagos.

A classe de rugosidade "1" caracteriza áreas abertas com poucos obstáculos para o vento. Isto aplica-se a terrenos muito abertos e planos ou levemente acidentados: planícies, pistas de aeroportos, grandes áreas sem árvores (arvores isoladas e de pequeno porte ou grupo de arbustos são desconsiderados).

A classe de rugosidade “2" identifica áreas que tenham fragmentos de obstáculo ao vento afastados por no mínimo 1 km, inclusive casas individuais. A área é caracterizada por grandes espaços abertos, mas com eventuais barreiras ao vento. O terreno pode ser plano ou montanhoso, com algumas árvores e edifícios.

A classe de rugosidade “3" carcteriza pequenas vilas, florestas, áreas agrícolas com muitas árvores, entretanto com fragmentos afastados no mínimo 100 m (cidades tem alto índice Zo).

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Fontes renováveis de energia – Energia Eólica

Para que seja realizado o transporte de turbinas eólicas muito pesadas, as estradas rurais existentes normalmente tem que ser reformadas / alargadas. A estrada é feita de areia, telas metálicas / plásticas para estabilização e pedra brita. Às vezes, essas estradas rurais são asfaltadas após a conclusão da construção.

Infraestrutura

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Infraestrutura

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Devido as cargas laterais é comum utilizar fundações profundas para os aerogeradores, por exemplo, estacas. Essas estacas atingem uma profundidade de 15 metrose complementam o projeto de fundações.

Sobre as estacas é contruído um bloco de coroamento e uma caixa de concreto armado.

Fundações

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Fundações

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O percurso da eletricidade até a edificação:

Exemplo (varia de acordo com o estudo econômico): A turbina eólica produz corrente continua a 400 V, converte na própria torre para 34,5 kV, a energia é conduzida para o transformador elevador local que aumenta a tensão para 230 kV. A eletricidade é transportada aos centros consumidores mais próximos, passa pelo transformador abaixador para distribuição primária dentro da zona urbana (em 13,8 kV ou 34,5 kV), a eletricidade passa pelo transformador de distribuição, onde a tensão é baixada para 127 ou 220 V para os consumidores nas residências e comércios ou 220 e 380 V nas industriais.

As turbinas eólicas são ligados entre si e a uma subestação. Os cabos são aterrados em valas com 150 centímetros profundidade .

Instalações Elétricas

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Transporte

Para o transporte de uma grande turbina eólica são necessários, em média, sete caminhões de grande carga. O transporte das pás do rotor é realizado em uma carreta especial com 40 metros de comprimento. Por causa do comprimento extra dos veículos e do excesso de peso o transporte ocorre principalmente à noite e acompanhado por veículos batedores e da polícia.

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Montagem

A torre de um aerogerador de grande porte é constituída de três ou quatro partes. A parte inferior da torre é parafusada na caixa de concreto armado das fundações. O rotor com as pás são montadas no corpo principal da casa de máquinas e posteriormente transportado para o topo da torre com um guindaste, onde a montagem é finalizada.

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Montage

Para a montagem dos aerogeradores são utilizados 2 guindastes de grande porte. O guindaste principal pesa 500 toneladas. Ele é transportado desmontado em nove vagões de trem de carga e montado novamente no local da obra.

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Turbina eólica com transmissão

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Turbina eólica sem transmissão

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Do vento para a tomada!