UFSM
Dissertao de Mestrado
TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE E
CONTROLE DO GERADOR DE INDUO COM
DUPLA ALIMENTAO
JEFERSON MARQUES
PPGEE
Santa Maria, RS, BRASIL
2004
i
TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE, E CONTROLE
DO GERADOR DE INDUO COM DUPLA ALIMENTAO
por
JEFERSON MARQUES
Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Ps-
Graduao em Engenharia Eltrica, rea de Concentrao
Processamento de Energia, Controle de Processos, da Universidade
Federal de Santa Maria (RS), como requisito parcial para a obteno do
grau de Mestre em Engenharia Eltrica.
Santa Maria, RS - Brasil. 2004.
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
A COMISSO EXAMINADORA, ABAIXO ASSINADA, APROVA A
DISSERTAO
TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE, E CONTROLE
DO GERADOR DE INDUO COM DUPLA ALIMENTAO
ELABORADA POR
JEFERSON MARQUES
COMO REQUISITO PARCIAL PARA A OBTENO DO GRAU DE
MESTRE EM ENGENHARIA ELTRICA
COMISSO EXAMINADORA:
___________________________________
Humberto Pinheiro Orientador UFSM Brasil
___________________________________
Christian R. Kelber Unisinos Brasil
___________________________________
Hilton A. Grndling UFSM Brasil
___________________________________
Jose Renes Pinheiro UFSM Brasil
Santa Maria, 21 de dezembro de 2004.
A Deus,
iv
Aos meus pais Carlos e Beloni, que me deram todo amor,
carinho e educao.
v
As minhas irms Joice e Jenifer,
vi
Ao meu grande e eterno amor
Lucinia Albanio Pivetta,
vii
Agradecimentos Ao professor Humberto Pinheiro orientao no desenvolvimento
desse trabalho, e em especial a sua grande amizade, que facilitou no s a
realizao deste trabalho, mas tambm o meu amadurecimento profissional.
Aos professores Hilton Ablio Grndling, Jos Renes Pinheiro e
Hlio Hey, pela amizade, conhecimento e experincia transmitidos no decorrer do
mestrado, contribuindo de forma relevante na elaborao deste trabalho.
Aos meus colegas e grandes amigos Fernando Botteron, Robinson
Camargo, Marcelo Duarte, Igor Jaskusc, Vinicius Leito e Helder Tavares que
sempre me ajudaram no desenvolvimento profissional e deste trabalho.
Aos amigos do grupo de pesquisa GEPOC pela amizade e apoio
que foram to importantes para a continuidade dessa caminhada.
Universidade Federal de Santa Maria e a CAPES pelo apoio
financeiro.
Aos funcionrios do NUPEDEE e em especial ao Eng. Fernando
Martins pela sua amizade e dedicao no desempenho de suas funes e pelo
companheirismo.
As minhas irms Joice e Jenifer pela amizade, carinho e
compreenso durante todos os momentos de minha vida.
Aos meus cunhados Roger e Fabiano pela grande amizade.
Aos meus pais Carlos e Beloni pelo amor, pelo exemplo de vida,
apoio e sobre tudo pelos constantes ensinamentos durante toda minha vida.
Ao meu eterno e grande amor Lucinia Albanio Pivetta, cujo amor,
carinho, respeito e compreenso foram muito importantes, no somente no
desenvolvimento desse trabalho, mas principalmente no meu desenvolvimento
espiritual e humano.
viii
RESUMO TURBINAS ELICAS: MODELO, ANLISE, E
CONTROLE DO GERADOR DE INDUO COM
DUPLA ALIMENTAO
Autor: Eng. Jeferson Marques
Orientador: Humberto Pinheiro, PhD.
O presente trabalho apresenta os principais conceitos e configuraes
utilizadas em turbinas elicas conectadas a rede eltrica, bem como a analise, o
projeto e a implementao do sistema de controle para o gerador de induo com
dupla alimentao (GIDA), visto que, este o conceito mais utilizado pela
indstria de turbinas elicas. Inicialmente, apresentado o modelo do GIDA em
eixos sncronos qd no referencial do fluxo estatrico, que , normalmente,
utilizado para o projeto dos controladores do GIDA, pois neste referencial
possvel controlar independentemente a potncia ativa e reativa da turbina elica.
Entretanto, um problema comum associado ao controlador vetorial do GIDA so
as oscilaes pouco amortecidas do fluxo estatrico. Com o intuito de estudar este
problema, apresentada uma anlise do impacto da banda passante dos
controladores de corrente, nos modos oscilaes do fluxo estatrico, que surgem
prximos freqncia da rede eltrica. Essas oscilaes aparecem na parte no
controlada da GIDA, resultante do acoplamento direto do circuito estatrico com
a rede eltrica. O controlador proposto baseia-se num lao interno de corrente e
um lao externo de potncias ativa e reativa. Como os controladores so
implementados em DSP, tambm, so apresentados os projeto dos controladores
em tempo discreto com limitao da ao integral. Finalmente, so apresentados
ix
resultados experimentais utilizando um GIDA de 2 kW e um inversor PWM,
controlado atravs do DSP TMS320F241.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA PROGRAMA DE
PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
Autor: Eng, Jeferson Marques
Orientador: Humberto Pinheiro, PhD.
Ttulo: Turbinas Elicas: modelo, anlise, e controle do gerador de
induo com dupla alimentao.
Dissertao de Mestrado em Engenharia Eltrica.
Santa Maria, 21 de dezembro de 2004.
x
Abstract WIND TURBINE: MODELING, ANALYSIS AND
CONTROL OF DOUBLY FED INDUCTION
GENERADOR
Author: Jeferson Marques, Ing.
Research Supervisor: Humberto Pinheiro, PhD.
This thesis presents the main concepts and configurations used in wind
turbine connected to the grid, as well as, an analysis, design and implementation
of the control system for the Doubly Fed Induction Generator (DFIG). The DFIG
has been selected since it is the concept frequently adopted by the wind turbine
manufactures. In the thesis, it is presented a model of the DFIG in stator flux
reference frame that is normally used in DFIG. The main reason for use the stator
flux reference frame is that in this referential is possible to control the active and
reactive power of the stator circuit independently. However, the main limitation
related with the DFIG vector control is the poor damping oscillation of the stator
flux. Aiming to study this problem, the impact of the bandwidth of the rotor
currents control loop in the stator flux oscillation mode that appears near the
voltage grid frequency, is investigated. It is demonstrated that when Rs approaches
of the zero, these oscillations can not be controlled by the rotor converter. The
proposed controller has an internal current control loop and an external power
control loop. As the controllers are usually implemented in a digital signal
processor (DSP), a redesign in discrete time to compute the control action with
anti-windup is given. Finally, experimental results to validate the controllers
design using a 2 kW DFIG and IGBT PWM converter, controlled by the DSP
TMS320F241, are presented.
xi
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA PROGRAMA DE
PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA
Author: Eng, Jeferson Marques
Research Supervisor: Humberto Pinheiro, PhD.
Title: Wind Turbine: Modeling, Analysis and Control of Doubly Fed
Induction Generator.
Master Thesis on Electrical Engineering.
Santa Maria, December 21, 2004.
xii
ndice Captulo 1 - Introduo ........................................................................................... 1
1.1. Introduo ............................................................................................... 1
1.2. Reviso dos Trabalhos Relacionados...................................................... 2
1.3. Objetivos do Trabalho............................................................................. 6
1.4. Organizao da Dissertao .................................................................... 7
Bibliografia ......................................................................................................... 8
Captulo 2 O Estado da Arte da Energia Elica no Brasil e no Mundo............. 11
2.1. Introduo ............................................................................................. 11
2.2. Introduo a Energia Elica .................................................................. 11
2.3. A Historia da Energia Elica no Mundo............................................... 16
2.4. A Histria da Energia Elica no Brasil ................................................. 28
2.5. Sumrio ................................................................................................. 35
Bibliografia ....................................................................................................... 35
Captulo 3 Turbinas Elicas: Conceitos e Componentes ................................... 37
3.1. Introduo ............................................................................................. 37
3.2. Converso da Energia do Vento em Energia Mecnica........................ 37
3.2.1) Fora de arrasto ................................................................................. 40
3.2.2) Fora de Sustentao......................................................................... 42
3.3. Configuraes do Rotor e Principais componentes das Turbinas Elicas
Modernas........................................................................................................... 45
xiii
3.3.1) Glossrio da turbina elica (Figura 3-12) ......................................... 49
3.4. Modos de Operao de uma Turbina Elica ......................................... 51
3.4.1) Operao em velocidade Constante .................................................. 52
3.4.2) Operao em Velocidade Varivel.................................................... 54
3.5. Mtodos de Limitao de Potncia. ...................................................... 56
3.5.1) Perda Aerodinmica Passiva ............................................................. 56
3.5.2) Regulao por Passo ......................................................................... 58
3.5.3) Perda Aerodinmica Ativa ................................................................ 60
3.6. Sumrio ................................................................................................. 62
Bibliografia ....................................................................................................... 63
Captulo 4 Tipos de Geradores Elicos e Sistemas de Controle........................ 65
4.1. Introduo ............................................................................................. 65
4.2. Gerador de Induo em Gaiola de Esquilo (GIGE) .............................. 65
4.3. Gerador Sncrono com rotor Bobinado (GSRB)................................... 68
4.4. Gerador Induo com Dupla Alimentao (GIDA) .............................. 69
4.5. Sumrio ................................................................................................. 71
Bibliografia ....................................................................................................... 71
Captulo 5 Modelo do Gerador de Induo com Dupla Alimentao................ 73
5.1. Introduo ............................................................................................. 73
5.2. Histrico................................................................................................ 73
5.3. Modelo do Gerador de Induo com Dupla Alimentao em qd0........ 74
5.3.1 Transformaes Lineares Ortogonais ................................................... 75
5.3.2 Equaes das Tenses em qd0 no Referencial Genrico ...................... 79
xiv
5.3.3 Equao do Torque eletromagntico e da Potncia Ativa e reativa em
qd0 no Referencial genrico.............................................................................. 85
5.3.4 Referencial no Fluxo Estatrico............................................................ 86
5.4. Sumrio ................................................................................................. 89
Bibliografia ....................................................................................................... 90
Captulo 6 Projeto dos Controladores Vetorias.................................................. 91
6.1. Introduo ............................................................................................. 91
6.2. Projeto dos Controladores de Corrente Rotrica .................................. 93
6.3. Anlise do GIDA com Controladores PI na Malha Interna de Corrente. .
............................................................................................................... 95
6.3.1 Anlise dos Autovalores do GIDA em Malha Fechada...................... 100
6.3.2 Comportamento Transitrio do GIDA com PI ................................... 103
6.4. Controlador PI da malha externa de Potncia ..................................... 109
6.5. Sumrio ............................................................................................... 112
Bibliografia ..................................................................................................... 112
Captulo 7 Resultados Experimentais .............................................................. 114
7.1. Introduo ........................................................................................... 114
7.2. Resultados Experimentais do Estimador da posio do fluxo estatrico..
............................................................................................................. 114
7.3. Resultados Experimentais da resposta transitria das correntes rotricas
............................................................................................................. 116
7.4. Resultados Experimentais em Regime Permanente............................ 117
7.5. Sumrio ............................................................................................... 122
Bibliografia ..................................................................................................... 122
xv
Captulo 8 Concluses Gerais .......................................................................... 124
Apndice A Descrio do Prottipo Utilizado na Implementao .................. 126
Apndice B Projeto dos Controladores PIs em Tempo Discreto ..................... 131
xvi
ndice de Figuras Figura 1-1. Acionamento esttico de Kramer. ........................................................ 3
Figura 1-2. Acionamento esttico de Scherbius...................................................... 4
Figura 1-3. Acionamento esttico de Scherbius com pontes de IGBTs................. 4
Figura 2-1. Crescimento global da populao e do consumo de eletricidade [2]. 12
Figura 2-2. Diviso da Produo de Eletricidade em 1999................................... 12
Figura 2-3. Distribuio dos custos para diferentes plantas de potncia. ............. 13
Figura 2-4. Cenrio previsto para suprir a demanda de energia global nos
prximos anos.[14]........................................................................................ 14
Figura 2-5. Polticas governamentais e seus efeitos em alguns mercados europeus.
....................................................................................................................... 15
Figura 2-6. Capacidade total de energia elica instalada no mundo at o final de
2001. [16] ...................................................................................................... 16
Figura 2-7. Moinho de vento do tipo Prsia [1]. ................................................... 17
Figura 2-8. Aproximao do moinho de vento chins [1]. ................................... 18
Figura 2-9. Moinho de vento de eixo horizontal construdo na costa do
Mediterrneo[1]. ........................................................................................... 18
Figura 2-10. Moinho de vento do tipo Dutch [3]. ................................................. 19
Figura 2-11. Moinho de vento do tipo leque ou americano [1]. ........................... 20
Figura 2-12. Moinho de vento construdo por Brush ........................................... 21
Figura 2-13. Turbina Elica de Smith-Putnam. .................................................... 22
Figura 2-14. Turbina elica Gedser. ..................................................................... 23
xvii
Figura 2-15. Turbina elica de Hutter................................................................... 24
Figura 2-16. Turbina elica de eixo vertical do tipo Darrieus [6]. ....................... 24
Figura 2-17. Turbina elica de eixo vertical do tipo Savonius [6]........................ 25
Figura 2-18. Turbina elica MOD-1 de 2MW [7]. ............................................... 26
Figura 2-19. Evoluo das turbinas elicas. Fonte ISET...................................... 27
Figura 2-20. Turbina Elica de 75 kW instalada na Ilha de Fernando de Noronha
[11]. ............................................................................................................... 30
Figura 2-21. Parque Elico do Morro do Camelinho. [11] ................................... 31
Figura 2-22. Parque Elico de Prainha. ................................................................ 33
Figura 2-23. Parque Elico de Taba. ................................................................... 33
Figura 2-24. Parque Elico de Palmas. ................................................................. 34
Figura 3-1. Variao da massa atravs da rea de varredura A. ........................... 39
Figura 3-2. Variao da velocidade do vento atravs do rotor da turbina. ........... 39
Figura 3-3. Utilizao da fora de arrasto e cD para diferentes tipo de ps. ......... 40
Figura 3-4. Modelo simplificado da turbina do tipo Prsia. ................................. 41
Figura 3-5. Coeficiente de potncia (cp) em funo do tip speed ratio () para uma
turbina do tipo Prsia. ................................................................................... 42
Figura 3-6. Definio da fora de sustentao e arrasto considerando uma
representao em 2-D.................................................................................... 43
Figura 3-7. Coeficientes cL e cD em funo do ngulo de ataque () [1] ............. 44
Figura 3-8. Fluxo laminar e fluxo turbulento sobre o perfil de uma p [1]. ......... 45
Figura 3-9. Direo do vento para turbinas upwind e downwind.......................... 46
Figura 3-10. TSR para diferentes tipos de turbinas elicas [1]............................. 47
xviii
Figura 3-11. Desbalanceamento causado pela passagem das ps pela torre......... 48
Figura 3-12. Principais componentes de uma turbina elica moderna [12].......... 49
Figura 3-13. Regies de operao de uma turbina elica. .................................... 51
Figura 3-14. Caracterstica de uma turbina elica operando em velocidade
constante [1]. ................................................................................................. 53
Figura 3-15. Caracterstica de uma turbina elica operando em duas velocidades
[1]. ................................................................................................................. 54
Figura 3-16. Caracterstica de uma turbina elica operando em velocidade varivel
[1]. ................................................................................................................. 55
Figura 3-17. Variao do ngulo de ataque() com a velocidade do vento. ........ 57
Figura 3-18. Curva de potncia para uma turbina com perda aerodinmica passiva
[1]. ................................................................................................................. 58
Figura 3-19. Regulao por passo......................................................................... 59
Figura 3-20. Coeficiente de potncia para diferentes ngulos de passo. .............. 60
Figura 3-21. Curva de potncia para uma turbina com regulao por passo. ....... 60
Figura 3-22. Regulao por perda aerodinmica ativa.......................................... 61
Figura 4-1. Sistema de gerao elica com GIGE. ............................................... 66
Figura 4-2. Caracterstica torque x velocidade do rotor para operao em duas
velocidades.................................................................................................... 67
Figura 4-3. Sistema de gerao elica com GSRB. .............................................. 69
Figura 4-4. Sistema de gerao elica com GIDA................................................ 70
Figura 5-1 Representao Trigonomtrica da Transformao para o circuito
estacionrio . ................................................................................................. 76
xix
Figura 5-2 - Representao Trigonomtrica da Transformao para o circuito
rotrico. ......................................................................................................... 78
Figura 5-3 Circuito Equivalente do Gerador de Induo trifsico com dupla
alimentao. .................................................................................................. 79
Figura 5-4 Circuito equivalente do GIDA no referencial genrico.................... 85
Figura 5-5 Variveis do estator e do rotor no referencial do fluxo estatrico. .. 87
Figura 6-1 Diagrama de blocos do GIDA e do sistema de controle. ................. 91
Figura 6-2 Fluxos de potncia ativa e reativa no modo de operao sub-
sncrono......................................................................................................... 92
Figura 6-3 - Fluxos de potncia ativa e reativa no modo de operao sob-sncrono.
....................................................................................................................... 93
Figura 6-4 Diagrama de blocos do controlador PI para o GIDA. ...................... 95
Figura 6-5. Lugar das Razes para a variao da banda passante de 1 a 1000 rad/s.
Para operao com potncia reativa, sendo que a letra X indica o ponto
inicial........................................................................................................... 101
Figura 6-6. Lugar das Razes para a variao da banda passante de 1 a 1000 rad/s,
Para operao com potncia ativa, sendo que a letra X indica o ponto inicial.
..................................................................................................................... 101
Figura 6-7. Lugar das razes para Rs variando de 50%, considerando a banda
passante dos controladores de eixo q e d de 500 rad/s. ............................ 102
Figura 6-8. Comportamento transitrio do GIDA para uma mudana de idr de a
para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s e a
xx
banda passante do controlador de corrente de eixo q e d igual a 100 rad/s.
..................................................................................................................... 105
Figura 6-9. Comportamento transitrio do GIDA para uma mudana de idr de a
para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s e a
banda passante do controlador de corrente de eixo q e d igual a 100 rad/s.
..................................................................................................................... 106
Figura 6-10. Comportamento transitrio do GIDA para uma mudana de idr de a
para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s ,
banda passante do controlador de corrente de eixo q igual a 100 rad/s. e
banda passante do controlado de corrente eixo de d igual a 1000 rad/s. .... 107
Figura 6-11. Comportamento transitrio do GIDA para uma mudana de idr de a
para in, e aps 0.5 s houve uma queda de 20 % em Vn. Para r=0.7s ,
banda passante do controlador de corrente de eixo q igual a 1000 rad/s. e
banda passante do controlado de corrente eixo de d igual a 100 rad/s. ...... 108
Figura 6-12. Resultado Experimental. Transitrio na potncia ativa no estator. 110
Figura 6-13. Diagrama de Blocos completo do GIDA com as malhas internas de
corrente e as malhas externas de potncia. ................................................. 111
Figura 7-1. Resultado Experimental. Posio angular estimada do fluxo estatrico.
..................................................................................................................... 115
Figura 7-2. Resultado Experimental. Velocidade angular estimada do fluxo
estatrico. .................................................................................................... 115
Figura 7-3. Resultado Experimental do comportamento transitrio do GIDA para
uma mudana de idr de a para 0.5 pu, e aps 0.5 s houve uma queda de 10
xxi
% em Vn. Para r=0.7s, banda passante do controlador de corrente de eixo
q e d igual a 1000 rad/s............................................................................. 116
Figura 7-4. Resultado Experimental do comportamento transitrio do GIDA para
uma mudana de idr de a para 0.5 pu, e aps 0.5 s houve uma queda de 10
% em Vn. Para r=0.7s, banda passante do controlador de corrente de eixo
q e d igual a 1000 rad/s............................................................................. 117
Figura 7-6. Tenso e corrente estatrica na fase a e corrente rotrica na fase A
Escala vertical: 100V/div, 5A/div e 10 A/div, respectivamente. ................ 118
Figura 7-7. Tenso e corrente estatrica na fase A. Escala vertical: 100V/div,
5A/div.......................................................................................................... 118
Figura 7-8. Corrente trifsicas de fase no circuito rotrico. Escala vertical:
10A/div........................................................................................................ 119
Figura 7-9. Tenso e corrente estatrica na fase a e corrente rotrica na fase a
Escala vertical: 100V/div, 5A/div e 10A/div, respectivamente. ................. 120
Figura 7-10. Tenso e corrente estatrica na fase a. Escala vertical: 100V/div,
5A/div.......................................................................................................... 120
Figura 7-11. Corrente trifsicas no circuito rotrico. Escala vertical: 10A/div. . 121
Figura 7-12. Transitrio das correntes rotricas em abc..................................... 121
Figura 7-13. Correntes rotricas na passagem no modo sub-sncrono para o sob-
sncrono....................................................................................................... 122
xxii
ndice de Tabelas Tabela 3-1. Configuraes possveis de turbinas elicas utilizando a combinao
dos conceitos. ................................................................................................ 62
Tabela 3-2. Caractersticas das Turbinas elicas em relao ao n de turbinas
estaladas por ano [9]. .................................................................................... 63
Tabela 6-1. Parmetros do controlador PID obtidos atravs do mtodo de malha
aberta de Ziegler-Nichols............................................................................ 110
xxiii
Simbologia m& - Taxa de variao da massa do ar
- ngulo de ataque
- ngulo de passo
- Densidade do ar (1,225 Kg/m3 ao nvel do mar)
- Deslocamento angular das variveis estatricas
- Velocidade angular das variveis estatricas
m - Velocidade angular no eixo da turbina
- Referencial estacionrio
s, s - Fluxos estatricas no referencial estacionrio
e - Posio angular do fluxo estatrico
e - Velocidade angular do fluxo estatrico
opt - Tip Speed Ratio timo
'qr, dr - Fluxos rotricas em eixos sncronos qd0
qs, ds - Fluxos de seqncia zero
qs, ds - Fluxos estatricas em eixos sncronos qd0
r - Velocidade angular do circuito rotrico
s - Posio angular da tenso estatrica
A - rea de varredura da turbina elica
abc - Sistema de coordenadas trifsico
cD - Coeficiente de arrasto
cL - Coeficiente de sustentao
cp - Coeficiente de potncia
cp,Betz - Coeficiente de potncia mximo
ct - Coeficiente de torque
D - Fora de arrasto
DSP - Digital Signal Processor Processador Digital de Sinais
xxiv
E - Energia Cintica (joules)
e - Vetor de erro
f - Vetor de funes escalares
fabcs - Vetor de variveis estatricas no sistema trifsico
fqd0s - Vetor de variveis estatricas em eixos sncronos qd0
G - Relao de engrenagem
GIDA - Gerador de Induo com Dupla Excitao
GIGE - Gerador de Induo em Gaiola de Esquilo
GSRB - Gerador Sncrono com Rotor Bobinado
is, is - Correntes estatricas no referencial estacionrio
i0s, i0s - Correntes de seqncia zero
in - Corrente nominal do gerador
i'qr, idr - Tenses rotricas em eixos sncronos qd0
iqs, ids - Correntes estatricas em eixos sncronos qd0
k - Amostra
Ki - Ganho do controlador integral
Kp - Ganho do controlador proporcional
Ks - Matriz de transformao de abcs para qd0
L - Fora de sustentao
Llr - Indutncia de disperso do enrolamento rotrico
Lls - Indutncia de disperso do enrolamento estatrico
Lmr - Indutncia de magnetizao do enrolamento rotrico
Lms - Indutncia de magnetizao do enrolamento estatrico
Lsr - Amplitude da indutncia mtua entre os enrolamentos estatricos
e rotricos
M - Indutncia Mtua
m - Massa do ar (Kg)
MIDE - Mquina de Induo com Dupla Excitao
Mir - Mdulo das correntes rotricas
MPPT - Maximum Power Point Tracking
Nr - Nmero de espiras do enrolamento rotrico
xxv
Ns - Nmero de espiras do enrolamento estatrico
p - Nmero de plos
P - Potncia (W)
PI - Controlador Proporcional-Integral
Pm - Potncia mecnica
Pr - Potncia ativa no circuito rotrico
PROINFA - Programa de Incentivos as Fontes Alternativas de Energia
Ps - Potncia ativa no circuito estatrico
PWM - Pulse width Modulation Modulao por largura de Pulso
qd0 - Sistema de coordenadas em eixos sncronos
Qs - Potncia reativa no circuito estatrico
stall - Perda aerodinmica
t - Tempo (s)
Td - Perodo de discretizao
Te - Torque eltrico
TSR - Tip Speed Ratio ()
u - Velocidade das ps
u - Vetor de entrada
v - Velocidade do vento (m/s)
vs, vs - Tenses estatricas no referencial estacionrio
v0s, v0s - Tenses de seqncia zero
v'qr, vdr - Tenses rotricas em eixos sncronos qd0
vqs, vds - Tenses estatricas em eixos sncronos qd0
Vs - Amplitude da tenso da rede eltrica
w - Velocidade relativa vista pela turbina elica
x - Vetor de estados do integrador
Captulo 1
INTRODUO
1.1. Introduo
A demanda de energia, especialmente eltrica, aumentou
drasticamente nos ltimos 100 anos. Portanto, torna-se importante considerar os
impactos ambientais causados pela produo de energia. O uso contnuo de fontes
convencionais1 para suprir essa crescente demanda contribui para o aquecimento
global que apontado como um dos possveis causadores das mudanas
climticas em todo o planeta. Uma alternativa para diminuir estes problemas o
uso de fontes de energia renovveis, oriundas do vento, da gua e do sol. Pois,
estas tendem a diminuir o aquecimento global, visto que a produo de energia,
atravs destas fontes, no emite gs carbnico e no produz lixo nuclear.
Dentre as fontes alternativas de energia, a elica apresenta um
elevado crescimento nos ltimos anos, principalmente devido a incentivos
governamentais e ao alto grau de desenvolvimento e confiabilidade desta
tecnologia. Com o objetivo de incentivar a abertura do mercado para a energia
elica necessria uma poltica especial que torne esta lucrativa, de modo que
essa possa competir com outras plantas de gerao de energia, principalmente as
convencionais. Exemplos de polticas governamentais so o programa de
incentivo s fontes alternativas de energia (PROINFA) e o programa Ventos do
Sul. O PROINFA um programa do governo brasileiro que prev a instalao na
1 fase de 3.3 GW de fontes alternativas at 2008, sendo 1.1 GW destinado para
energia elica. A segunda fase prev que a instalao de, aproximadamente, 15
1 Fontes convencionais: leo, Nuclear, Termo, Hidroeltrica, etc
2
GW de fontes alternativas at 2014, sendo 4.15 GW destinado para energia elica.
A meta deste programa cobrir 10% da demanda de energia eltrica, no Brasil,
atravs de fontes alternativas. Alm de diversificar a matriz energtica brasileira,
que basicamente formada por hidroeltricas.
O alto grau de desenvolvimento alcanado pela indstria elica
deve-se ao crescimento histrico desta tecnologia que iniciou com os moinhos de
vento at chegarem nas modernas turbinas elicas utilizadas atualmente. Os
principais conceitos utilizados pelas modernas turbinas elicas so: (i) a operao
em duas velocidades, utilizando o gerador de induo em gaiola de esquilo
(GIGE); (ii) a operao em velocidade varivel, utilizando o gerador sncrono de
plos salientes e rotor bobinado (GSRB) e (iii) a operao em velocidade varivel,
utilizando o gerador de induo com dupla alimentao (GIDA). Dentre estes
conceitos, o que utiliza GIDA o que mais vem sendo utilizado pela indstria,
principalmente para potncia acima de 1.5MW, que a faixa de potncia
utilizada, atualmente, para a conexo a rede eltrica.
Devido a grande utilizao industrial do conceito de turbina elica
de velocidade varivel com o GIDA, surge a necessidade de analisar-se o sistema
de controle utilizado neste tipo de turbina elica, de modo que esta possa ser
conectada a rede eltrica. Os principais fatores que so analisados neste trabalho
so o controle da potncia ativa e reativa entregue pela turbina elica para a rede
eltrica.
1.2. Reviso dos Trabalhos Relacionados
A mquina de induo com dupla alimentao (MIDA) com
controle de velocidade feito mecanicamente, atravs de um reostato colocado no
circuito rotrico , possivelmente, o mtodo mais antigo utilizado pela indstria,
para o controle de mquinas AC. Para aplicaes onde requerido o controle de
velocidade em uma faixa limitada de operao, a MIDA uma boa alternativa.
Pois, potncia do circuito rotrico (potncia de escorregamento) somente uma
3
frao da potncia da mquina e, conseqentemente, o custo do conversor de
potncia menor. Alguns exemplos desse tipo de aplicao so listados abaixo.
(i) Acionamento de alta capacidade para sistemas de ventilao
e bombas.
(ii) Turbinas elicas de velocidade varivel.
(iii) Sistemas de Navios com operao em velocidade varivel e
freqncia constante.
(iv) Geradores hdricos de velocidade varivel.
(v) Sistemas de armazenamento de energia flywheel utilizado
nas redes eltricas.
Outra alternativa para o controle de velocidade da MIDE a utilizao do
acionamento esttico de Kramer2 (Figura 1-1). Neste mtodo, a potncia do
circuito rotrico no queimada na resistncia rotrica, como no caso do reostato,
mas convertida em AC 60Hz (50Hz) e , normalmente, devolvida rede
eltrica.
MIDE
Tm Rede
Eltrica
sPg
Figura 1-1. Acionamento esttico de Kramer.
O acionamento esttico de Kramer permite o controle da velocidade no modo sub-
sncrono motor e no modo sob-sncrono gerador, pois o fluxo de potncia do
circuito rotrico unidirecional. A desvantagem deste mtodo que ele no
permite a operao nos modos sub-sncrono gerador e no modo sob-sncrono
motor. Desta forma, este mtodo no apropriado para aplicaes em sistemas de
2 Este sistema diferente do acionamento de Kramer original, onde utilizada uma mquina AC no circuito rotrico no lugar do conversor mostrado na Figura 1-1.
4
gerao elicos. Para possibilitar a operao no modo sub-sncrono gerador, pode-
se substituir a retificador a diodo da Figura 1-1, por uma ponte de tiristores, como
mostrado na Figura 1-2. Este esquema denominado acionamento esttico de
Scherbius.
MIDE
Tm Rede
Eltrica
sPg
Figura 1-2. Acionamento esttico de Scherbius.
Esse sistema permite o fluxo bidirecional de potncia no circuito rotrico, que
pode ser controlado tanto no modo motor como no modo gerador para velocidades
sub-sncronas e sobre-sncronas. Alm disso, variaes no do acionamento de
Scherbius podem ser obtidas pela substituio das duas pontes de tiristores por um
cicloconversor ou por dois conversores PWM. Devido ao fluxo bidirecional de
potncia, este sistema vem sendo, constantemente, aplicado em turbinas elicas e
geradores hdricos de velocidade varivel [1].
A grande maioria das aplicaes da MIDA em turbinas elicas
utiliza a configurao de Scherbius com duas pontes de IGBTs, conforme
mostrado na Figura 1-3.
MIDE
Tm Rede
Eltrica
sPg
Figura 1-3. Acionamento esttico de Scherbius com pontes de IGBTs.
Na Figura 1-3, o objetivo do controlador do lado da rede eltrica manter o
barramento CC constante, independente da magnitude e da direo da potncia
5
estatrica, e controlar o fator de potncia entre o conversor e a rede eltrica [2]-
[7]. Normalmente, para esse propsito so utilizados controladores vetoriais
(FOC) no referencial da tenso ou do fluxo estatrico [6] que permitem o
desacoplamento entre o controlador da tenso do barramento CC e a potncia
reativa [2][5][24]. Por outro lado, o objetivo do conversor do lado do rotor
controlar a potncia ativa e reativa do circuito estatrico ou o torque eltrico e a
corrente de excitao da MIDE [2]-[21]. Os dois tipos de controladores mais
utilizados para o controle da potncia ativa e reativa o controle direto de
torque/potncia (DTC) e o controle vetorial (FOC) no referencial do fluxo ou da
tenso estatrica. Na tcnica de DTC so usados dois controladores por histereses
para determinar os vetores de comutao do conversor do lado do rotor, sendo um
controlador para o torque eltrico/potncia ativa e outro para o fluxo
rotrico/potncia reativa [4][14][20]. As vantagens desta tcnica so: a rpida
resposta dos controladores e o clculo da ao de controle que no requer grande
esforo computacional e independente da posio do rotor. Uma desvantagem
do DTC que o erro do controlador mantido dentro de uma faixa limitada,
definida pela banda de histerese. Deste modo, o erro nunca ser nulo, e as
variveis da mquina apresentam uma oscilao mesmo em regime permanente,
principalmente no torque e no fluxo rotrico. As oscilaes de torque podem
causar fadigas nos componentes mecnicos e eltricos da turbina elica,
conseqentemente, diminuindo o tempo de vida da turbina elica. Na tcnica
FOC, normalmente so utilizados dois controladores PI um para corrente rotrica
de eixo q e outro para a corrente rotrica de eixo d. Sendo que, um controla a
potncia ativa/torque eltrico e o outro a potncia reativa/corrente de excitao.
Para permitir um controle desacoplado entre os controladores de corrente,
geralmente, utilizado o referencial no fluxo estatrico [2][3][5]-[10][15]-
[19][21], embora algumas referncias tambm utilizem o referencial na tenso
estatrica [11][13].
Um problema comum associado ao controlador vetorial do GIDA
so as oscilaes pouco amortecidas do fluxo estatrico [25]. Essas oscilaes
6
aparecem na parte no controlada da GIDA3, resultante do acoplamento direto do
circuito estatrico com a rede eltrica. Existem vrias tcnicas para amortecer as
oscilaes do fluxo estatrico. Em [22] foi concludo que, tanto a reduo da
banda passante dos controladores de corrente de eixo q e d, quanto
implementao de um amortecimento adicional no fluxo estatrico podem
amortecer as oscilaes do fluxo estatrico. Note que, geralmente, assumido que
as malhas de corrente rotricas so rpidas o suficiente, para que as suas
dinmicas possam ser desprezadas no projeto dos controladores de potncia ativa
e reativa [8]. Portanto deve-se ter cuidado na reduo da banda passante para que
est hiptese no seja comprometida. Em [23][25], a realimentao da derivada do
fluxo estatrico foi introduzida para criar um amortecimento adicional nos modos
oscilatrios. A desvantagem da realimentao da derivada do fluxo a
necessidade de um filtro para obteno dessa varivel. Alm disso, em [8][25]
analisada a insero de um conversor adicional, conectado em srie com o estator,
para agregar um amortecimento ao fluxo estatrico. A desvantagem deste mtodo
a necessidade de um conversor adicional, que aumenta o custo do sistema.
Baseado no texto acima, se observa que existem algumas tcnicas
de controle para o conversor do lado da rede e para o conversor do lado do rotor,
que so, normalmente, utilizadas para o controle do GIDA aplicado em turbinas
elicas. Neste trabalho tratado controlador do conversor do lado do rotor
utilizando FOC no referencial do fluxo estatrico. Alm disso, ser analisado o
impacto na banda passantes dos controladores de corrente nas oscilaes do fluxo
estatrico.
1.3. Objetivos do Trabalho
Nesta dissertao so apresentados o estado da arte e alguns
conceitos de turbinas elicas, bem como a anlise, modelo e projeto do
3 A denominao parte no controlada foi utilizada aqui porque no sistema de gerao elica com GIDA que analisado neste trabalho no existe nenhum sistema de atuao no circuito estatrico.
7
controlador vetorial para o conceito de turbina elica que utiliza o GIDA. Como
objetivos especficos tem-se:
(i) Mostrar a evoluo das turbinas elicas que levou esta
tecnologia ao alto grau de desenvolvimento e confiabilidade.
(ii) Descrever os conceitos de turbinas elicas mais utilizados,
atualmente, para a conexo a rede eltrica.
(iii) Descrever o Modelo do GIDA no referencial do fluxo
estatrico, que comumente utilizado para o projeto dos controladores vetoriais
de corrente.
(iv) Desenvolver o projeto dos controladores da malha interna
de corrente de eixo q e d, bem como dos controladores da malha externa de
potncia ativa e reativa.
(v) Analisar os modos oscilatrios do fluxo estatrico.
(vi) Investigar o impacto da banda passante dos controladores de
corrente em malha fechada no sentido de amortecer as oscilaes do fluxo
estatrico.
(vii) Projetar um controlador vetorial para o GIDA em tempo
discreto para implementao em um processador digital de sinais (DSP).
(viii) Validar a anlise e projeto do controlador mediante
resultados experimentais.
1.4. Organizao da Dissertao
Esta dissertao organizada da seguinte forma:
No Captulo 2 so abordados os principais fatores que estimulam o uso da energia
elica para suprir a crescente demanda global por energia, especialmente eltrica.
Alm disso, mostrado o desenvolvimento histrico da energia elica no Brasil e
no Mundo, que levou a evoluo tecnolgica das turbinas elicas.
8
No Captulo 3 ser mostrado o fundamento fsico para a transformao da energia
do vento em energia mecnica, bem como as configuraes do rotor e os
principais componentes das turbinas elicas modernas. Alm disso, os conceitos
de velocidade fixa e varivel e os mtodos de limitao de potncia tambm so
abordados.
No Captulo 4 so apresentados os principais tipos de geradores eltricos e
sistemas de controle, normalmente utilizados em turbinas elicas, bem como as
principais caractersticas destes sistemas.
No Captulo 5 apresentado o modelo do GIDA no referencial genrico e, a partir
deste, ser obtido o modelo no referencial do fluxo estatrico, que ,
freqentemente, utilizado no projeto de controladores vetoriais do GIDA.
No Captulo 6 analisado o desempenho dos controladores PI para o conversor do
lado do rotor com o objetivo de garantir a operao do sistema de gerao elico
no modo sub-sncrono e sob-sncrono. Tambm apresentado um modelo
simplificado do GIDA adequado para o projeto dos controladores de corrente
rotricas. E, finalmente, analisado o impacto da banda passante dos
controladores PI do desempenho transitrio do GIDA, com o objetivo de diminuir
as oscilaes do fluxo estatrico.
No Captulo 7 so apresentados os resultados experimentais do prottipo
implementado para o controle do GIDA, bem como uma breve descrio do
GIDA, do conversor de potncia, dos circuitos de medio e do DSP utilizados no
prottipo. Alm disso, apresentado o projeto do controlador em tempo discreto.
Visto que, este implementado atravs de um DSP.
Finalmente, no Captulo 8 so apresentadas as concluses gerais do trabalho, bem
como as sugestes para trabalhos futuros.
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11
Captulo 2
O ESTADO DA ARTE DA ENERGIA ELICA NO BRASIL E NO MUNDO
2.1. Introduo
Neste capitulo so abordados os principais fatores que estimulam o
uso da energia elica para suprir a crescente demanda global por energia,
especialmente a eltrica, bem como a histria da energia elica no Brasil e no
Mundo.
2.2. Introduo a Energia Elica
Como a necessidade de energia, especialmente eltrica, aumentou
drasticamente nos ltimos 100 anos, conforme mostrado na Figura 2-1, torna-se
importante considerar os impactos ambientais causados pela produo de energia.
Em 1999, a demanda global por eletricidade foi de aproximadamente 14.764 TWh
[2], e essa demanda foi abastecida, principalmente, atravs de combustveis
fsseis e energia nuclear (Figura 2-2). O contnuo uso de fontes convencionais4 de
energia para suprir a crescente demanda de energia contribui para o aquecimento
global que um dos provveis causadores dos desastres climticos em todo o
planeta [13] [15].
4Exemplos de Fontes convencionais de Energia: Usinas a carvo, usinas nucleares, Usinas a Diesel, etc...
12
Consumo de Eletricidade
Populao
Figura 2-1. Crescimento global da populao e do consumo de eletricidade [2].
O aumento do uso da energia oriunda do vento, da gua e do sol tende a diminuir
o aquecimento global, pois a produo de energia, atravs destas fontes, no emite
gs carbnico e tambm no produzem lixo nuclear [16]. Alm disso, a produo
de energia atravs de fontes renovveis ainda apresenta outras vantagens com
relao s plantas convencionais que a necessidade de uma menor quantidade de
terra para uma mesma gerao de energia e um menor tempo de instalao. Uma
conseqncia desta ltima vantagem que, dentro de poucos meses, uma planta
de energia renovvel capaz de produzir energia suficiente para compensar a
energia gasta em sua construo. Este fenmeno denominado amortizao de
energia[2].
17% gs
17% nuclear
9% leo
2% renovveis
18% hidro
37% carvo
Figura 2-2. Diviso da Produo de Eletricidade em 1999.
Outro fator importante na produo de energia, atravs de plantas
renovveis que estas contribuem para a descentralizao da gerao de energia.
13
Um efeito econmico positivo associado descentralizao da gerao o
aumento de empregos e a possibilidade de um crescimento local sustentvel [2].
Na Figura 2-3, o custo mdio para a produo de eletricidade para
plantas de potncia mostrado. Para diferentes tipos de gerao de eletricidade
[2], os custos so divididos em trs categorias: (i)- Custo Capital: que o
investimento total, incluindo as condies de financiamento (taxa de retorno e
perodo para restituio do dinheiro investido); (ii)- Custo do Combustvel: que
o custo do combustvel utilizado para a produo de energia; (iii)- Custo de
operao e manuteno. Conforme pode ser observado na Figura 2-3, embora o
custo capital para as plantas a combustveis fsseis seja menor que o custo para as
plantas nucleares e elicas, o custo do combustvel maior. Portanto, deve-se ter
cuidado na anlise do custo entre plantas de diferentes tipos.
14,2 15,9
69,9
52,1
14,1 33,8
18,5 44,6
37
0
17,5
82,5
Nuclear (0.057/kWh) Carvo (0.046/kWh)
Gs (0.036/kWh) Elica (0.057/kWh)
Legenda: Custo Capital Custo Combustvel O&M
Figura 2-3. Distribuio dos custos para diferentes plantas de potncia.
Baseado no contexto acima, pode-se dizer que as fontes renovveis de energia
representam uma alternativa para suprir a demanda crescente de energia sem
comprometer o meio ambiente e, conseqentemente, sem contribuir para os
desastres climticos. A Figura 2-4 mostra o cenrio projetado pela Shell para
alcanar uma produo de energia mais sustentvel.
14
Fontes Renovveis Fontes Convencionais
Exaj
oule
s
Figura 2-4. Cenrio previsto para suprir a demanda de energia global nos
prximos anos.[14]
Dentre as fontes alternativas de energia, a elica vem crescendo bastante nos
ltimos anos, principalmente, devido a incentivos governamentais e ao alto grau
de desenvolvimento e confiabilidade dessa tecnologia. Com o objetivo de
incentivar a abertura do mercado para a energia elica, necessrio uma poltica
especial que torne a energia elica lucrativa, de modo que esta possa competir
com outras plantas de energia, principalmente, as plantas convencionais. A lista,
abaixo, mostra os tpicos instrumentos polticos usados para incentivar a energia
elica:
Fundos Pblicos para a P&D de Programas
Preo diferenciado para a energia elica
Incentivos Financeiros emprstimos especiais, taxas de
interesse favorveis, etc.
Taxas de incentivo depreciao favorvel, etc.
Outros Incentivos.
Uma anlise do desenvolvimento da energia elica, em diferentes mercados,
mostra que uma mistura apropriada dos diferentes instrumentos polticos
influencia diretamente no crescimento do mercado da energia elica. Uma questo
essencial para o crescimento do mercado dessa energia dar garantias e
15
seguridade, permitindo que os investidores calculem a sua lucratividade sobre o
tempo de vida da turbina elica, que em torno de 20 anos. A Figura 2-5 compara
as polticas governamentais utilizadas por diferentes pases da unio europia para
incentivar o mercado da energia elica. Alguns pases, como a Alemanha e a
Dinamarca, garantem um preo fixo, atravs do programa de Feed-In Tariff,
enquanto outros pases, como a Inglaterra, empregam o sistema de quotas, onde
todas as plantas elicas competem, anualmente, entre si pela parte do mercado
que lhes fixada [18]. Conforme pode ser observado na Figura 2-5, pases que
garantem o preo fixo por kWh de energia elica estimularam muito mais seus
mercados do que pases que usam o sistema de quotas. Isso devido aos os
investidores tm muito mais seguridade no sistema de preo fixo do que no
sistema de quota.
Mercado Pases
Capacidade Instalada
(2001) MW
Novas Instalaes
(2001) MW
Taxa de Crescimento
(2001) %
Porcentagem do Mercado
Europeu %
Preo Fixo Alemanha Espanha 8,754 3,337
2,659 802
44.4 31.6
50.0 19.0
Total 12,091 3,467 40.1 69.0
Regulao por Quota
Inglaterra Irlanda
474 125
65 6
15.9 5.0
2.7 0.7
Total 599 71 13.4 3.4
Figura 2-5. Polticas governamentais e seus efeitos em alguns mercados europeus.
A capacidade total de energia elica instalada no mundo mostrada na Figura 2-6.
O aumento da capacidade instalada, nos ltimos anos, se deve ao desenvolvimento
tecnolgico das turbinas elicas, que aumentou a confiabilidade dos sistemas de
gerao elica, principalmente, na faixa de MW, e tambm a diminuio dos
custos das turbinas.
Portanto, para suprir a crescente demanda de energia sem
prejudicar o meio ambiente necessrio incentivar o uso de fontes alternativas de
energia. Dentre estas, a energia elica vem se mostrando como uma boa
alternativa, o que pode ser comprovado atravs do crescimento obtido nos ltimos
16
anos. Crescimento este, alcanado graas ao alto grau de desenvolvimento desta
tecnologia e a incentivos governamentais. Alm disso, pode-se destacar que a
energia elica tambm contribui para a gerao distribuda e que o local onde
instalada a turbina elica tambm pode ser usado para outras atividades, como por
exemplo, a agricultura e pecuria.
Capacidade anual de instalao na Europa Capacidade anual de instalao no Mundo Capacidade acumulada na Europa Capacidade acumulada no Mundo
Cap
acid
ade
inst
alad
a po
r an
o, M
W
Cap
acid
ade
inst
alad
a ac
umul
ada,
MW
Figura 2-6. Capacidade total de energia elica instalada no mundo at o final de 2001. [16]
O alto grau de desenvolvimento alcanado pela indstria elica se
deve ao desenvolvimento histrico desta tecnologia que iniciou com os moinhos
de vento chegando s modernas turbinas elicas.
2.3. A Historia da Energia Elica no Mundo
O primeiro uso da energia elica de que se tem conhecimento a
utilizada nos barcos vela. Esta tecnologia teve um importante impacto,
posteriormente, no desenvolvimento dos moinhos de vento do tipo vela [1]. O
primeiro moinho de vento foi desenvolvido na Mesopotmia por volta de 1700 ac
e utilizava um sistema de eixo vertical para bombear gua. Por volta de 500-900
dc surgiram, na Prsia, os primeiros moinhos de vento desenvolvidos para
automatizar tarefas como: moer gros e bombear gua. Esses moinhos possuam
17
eixo vertical e as ps de tecido ou velas, diretamente fixadas no rotor. O modo de
funcionamento era baseado em uma assimetria criada por uma parede que cobria
metade do rotor. Desse modo, as velas geravam uma fora de arrasto que era
utilizada para girar o rotor, conforme mostrado na Figura 2-7. Por volta de 1000
dc, surgem os moinhos de vento Chineses que, como os Persas apresentavam eixo
vertical e utilizavam as ps de tecido (velas). Entretanto, eles se diferenciavam
destes por apresentarem uma tpica vantagem dos moinhos de vento de eixo
vertical, que o simples fato de utilizarem o vento independente da direo,
conforme mostrado na Figura 2-8. Normalmente, nessas configuraes de eixo
vertical a pedra de moer era fixada diretamente no eixo, sem a necessidade de
redirecionamento do movimento rotacional e sem necessidade da caixa de
engrenagem para aumentar a velocidade de rotao [2].
Figura 2-7. Moinho de vento do tipo Prsia [1].
O primeiro moinho de vento a aparecer no oeste europeu foi um
modelo com uma configurao de eixo horizontal, baseada nas rodas dgua, que
tambm possuam essa configurao. A configurao foi denominada de moinho
de torre. A primeira ilustrao de 1270 dc mostra um moinho com quatro ps de
madeira, montadas em um poste central, semelhante ao mostrado na Figura 2-9.
Essa configurao mostra um enorme avano tecnolgico em relao ao tipo Prsa
e Chins. Esse moinho usava uma engrenagem de madeira para transmitir o
movimento horizontal do eixo para movimento vertical girando uma pedra, que
era utilizada para moer gros. Alm disso, essa configurao utiliza a fora de
sustentao para girar o rotor, o que proporciona uma melhor eficincia no rotor
18
em relao aos moinhos de eixo vertical (que utilizam a fora de arrasto), por
permitir um aumento na velocidade do rotor.
Figura 2-8. Aproximao do moinho de vento chins [1].
Em 1500, surgem os moinhos de vento do tipo Dutch (Figura
2-10), que foi um desenvolvimento dos moinhos de torre, cuja principal
caracterstica era a construo em madeira, que facilitava a montagem em relao
s pesadas pedras dos moinhos de torre. Essa configurao foi muito utilizada na
Holanda para drenar Polders5, devido ao interesse econmico em aumentar sua
rea territorial, enquanto que, no resto da Europa, essa configurao foi utilizada
para moer gros [3].
Figura 2-9. Moinho de vento de eixo horizontal construdo na costa do Mediterrneo[1].
5 Polders tambm conhecidos como terras baixas na Holanda.
19
Tanto nos moinhos de torre quanto nos moinhos do tipo Dutch, a orientao do
moinho com relao ao vento era feita, manualmente, pelo operador do moinho,
que tambm era responsvel pela tarefa de fiscalizar o processo de moagem dos
gros ou bombeamento de gua, bem como a frenagem do moinho em condies
adversas, como uma tempestade, por exemplo [2].
A configurao de eixo horizontal baseado nas rodas dgua foi
utilizada por muitos sculos, at surgirem, em meados do sculo 19, nos Estados
Unidos, os moinhos de vento do tipo leque ou americanos. Esses apresentavam
eixo horizontal e seu principal aproveitamento era o bombeamento de gua. As
principais caractersticas dessa configurao eram a torre de trelia de 3 a 5
metros de altura, as aproximadamente, 20 ps de metal e a cauda, cuja funo era
orientar o moinho na direo do vento, conforme pode ser observado na Figura
2-11. O desenvolvimento do moinho do tipo leque inaugurou uma nova era na
utilizao da energia elica. Eles refletem a industrializao histrica do uso da
energia elica, por serem fabricados em srie e feitos de metal. Alm de serem os
primeiros moinhos de ventos auto-regulveis [2].
Figura 2-10. Moinho de vento do tipo Dutch [3].
20
Por algumas centenas de anos, a mais importante aplicao dos
moinhos de vento era para subsistncia, sendo utilizados para bombear gua e
moer gros, usando sistemas relativamente pequenos, at surgirem no final do
sculo 19, os primeiros sistemas que utilizavam a energia do vento para gerao
de eletricidade. O primeiro sistema automatizado, utilizado para gerar energia em
grande escala, foi construdo em Cleveland, em 1888, por Charles Brush. Essa
mquina foi desenvolvida pela Brush Electric, que mais tarde seria vendida e
fundida com outra companhia denominada General Electric Company (GE). A
mquina de Brush era um moinho de vento com 144 ps de madeira, 17 metros de
dimetro que utilizava um gerador CC para carregar um banco de baterias. Esta
tambm possua uma grande cauda que girava o rotor na direo do vento,
conforme mostrado na Figura 2-12. Esse foi o primeiro moinho de vento que
incorporou uma caixa de engrenagem (1:50) para adaptar a velocidade de rotao
do eixo velocidade de operao do gerador. A pesar do relativo sucesso durante
os 20 anos de operao, essa mquina demonstrou algumas limitaes como,
baixa velocidade de operao e alto peso do rotor para aplicar na gerao de
eletricidade [4]. Os 12 kW, produzidos pelo rotor de 17 metros de dimetro,
mostram um fraco desempenho quando comparado com os 70-100 kW,
produzidos pelos modernos moinhos de ventos ou Turbinas elicas, com os
mesmos 17 metros de dimetro.
Figura 2-11. Moinho de vento do tipo leque ou americano [1].
21
Em 1891, Poul La Cour desenvolveu a primeira mquina de vento
que incorporou princpios de projetos aerodinmicos e mostrou que os moinhos de
vento que operam em alta velocidade e possuem poucas ps, so mais eficientes
para a gerao de eletricidade. Alm disso, foi Poul La Cour que publicou a
primeira revista sobre energia elica [5]. Em 1918, algumas das 120 companhias
de energia eltrica da Dinamarca possuam uma turbina elica, tipicamente na
faixa de 20 a 30 kW, totalizando uma potncia instalada de 3MW. Essas turbinas
cobriam, aproximadamente, 3% do consumo de eletricidade da Dinamarca na
poca.
Figura 2-12. Moinho de vento construdo por Brush .
Em 1920, as duas configuraes de rotor dominante, do tipo leque
e a do tipo vela, foram consideradas inadequadas para a gerao de uma
quantidade aprecivel de energia, principalmente, devido baixa velocidade de
rotao, conforme comprovado por Poul La Cour. A partir da comeou o
desenvolvimento de sistemas inspirados no projeto das hlices de avio, ou seja,
projetos que incorporam princpios aerodinmicos e utilizam a fora de
sustentao para girar o rotor [1].
Durante o perodo de 1920-1970, sugiram diversas plantas de
grande escala para a gerao de eletricidade que incorporaram os princpios
aerodinmicos nos seus projetos, mas seus resultados prticos, em sua maioria,
foram reprovados para a produo de energia elica em larga escala. Muitos
destes projetos tiveram importante papel no posterior desenvolvimento dos
22
modernos moinhos de vento ou Turbinas elicas, dentre estes, pode-se citar os
moinhos de ventos de eixo horizontal, denominados de Balacrava, Smith-Putnam,
Gedser e Hutter, alm das turbinas de eixo verticais, denominadas Darrieus e
Savonious. A Balacrava era uma mquina de 100 kW, que surgiu na Rssia em
1931. Essa mquina operou por, aproximadamente dois anos, na costa do mar
Cspio, gerando 200.000 kWh de eletricidade. A maior mquina construda, nessa
poca, foi mquina Smith-Putnam de 1,25MW, instalada em Vermont. Essa era
caracterizada por possuir duas ps e o rotor com 53 m (175 ps) de dimetro
orientado downwind, conforme mostrado na Figura 2-13.
Figura 2-13. Turbina Elica de Smith-Putnam.
Em 1945, depois de algumas centenas de horas de funcionamento
peridico, uma de suas lminas quebrou perto do centro, aparentemente por fadiga
metlica, devido s 16 toneladas de ao das ps [1]. Entre 1956-1957, Johannes
Juul, que desenvolveu a primeira turbina elica de corrente alternada, construiu,
na Dinamarca, a turbina elica denominada de Gedser (Figura 2-14). A Gedser era
uma turbina elica que operava upwind com gerador assncrono e utilizava um
sistema eletromecnico para direcionamento da turbina com relao ao vento.
Alm disso, a limitao de potncia atravs da perda aerodinmica passiva e o
freio aerodinmico nas pontas das ps, so basicamente os mesmo usados,
atualmente, em algumas turbinas elica. Essa turbina operou por 11 anos sem
nenhuma manuteno e foi um dos projetos pioneiros para o desenvolvimento das
23
turbinas elicas modernas usadas atualmente [2]. Nesta mesma poca, o professor
Ulrich Hutter desenvolveu uma srie de vantagens para o projeto de turbinas de
eixo horizontal, utilizando ps feita de fibra de vidro e plstico com regulao de
passo que deram uma maior eficincia e menor peso s ps. Esse projeto
propiciou uma reduo da estrutura mecnica, atravs da reduo das cargas do
rotor [1]. A turbina de Hutter mostrada na Figura 2-15.
Figura 2-14. Turbina elica Gedser.
A turbina do tipo Darrieus originou-se na Frana e foi patenteada em 1927. Seu
princpio de rotao baseado na fora de sustentao e suas principais vantagens
so o fato do gerador e a caixa de engrenagem serem colocados no solo, alm de
no necessitar nenhum sistema de direcionamento em relao direo do vento
[6], como mostrado na Figura 2-16. O problema desse tipo de configurao que,
como velocidade do vento muito baixa, prxima ao solo e aumenta conforme a
altura, essa mquina deve suportar diferentes esforos, ao longo do eixo, gerando
uma dificuldade adicional para manter a torre ereta para altos nveis de vento.
Alm disso, devido sua alta velocidade e baixo torque necessrio um sistema
para auxiliar a partida da turbina.
24
Figura 2-15. Turbina elica de Hutter.
A turbina do tipo Savonious, aparentemente, foi originada na Finlndia, em 1924,
e o princpio de funcionamento do rotor era baseado na fora de arrasto. Este tipo
de turbina se caracteriza por operar em baixa velocidade e com alto torque.
Portanto, sendo basicamente utilizadas para moer gros e bombear gua [6].
Figura 2-16. Turbina elica de eixo vertical do tipo Darrieus [6].
Apesar dos vrios esforos no perodo de 1920-1970, conforme
mencionado acima, somente com a crise do petrleo de 1973, que comeou o
desenvolvimento das Turbinas Elicas modernas. Aps os impactos da primeira
crise do petrleo de 1973, surgem vrios programas de pesquisa e subsdios,
oferecidos pelo Governo, para o desenvolvimento da energia elica em vrios
pases. Em muitos pases como Sua, Alemanha, Canad e Estados Unidos, os
suportes para o desenvolvimento da Energia Elica favoreciam o desenvolvimento
25
de prottipos de larga escala, ou seja, mquinas com mais de 100kW de potncia
instalada. Por outro lado, a Dinamarca seguiu o caminho inverso, adotando uma
poltica de aumentar, gradualmente, o tamanho das turbinas elicas.
Figura 2-17. Turbina elica de eixo vertical do tipo Savonius [6].
Entre os prottipos de larga escala, desenvolvido nesta poca, pode-se destacar a
srie MOD e a GROWIAN. A srie MOD surgiu nos Estados Unidos, em 1975.
Os prottipos dessa srie possuam eixo horizontal e duas ps6. As turbinas dessa
srie apresentaram vrios problemas, principalmente, mecnicos, como
envergadura das ps e fadiga de alguns componentes da turbina. Uma turbina
desta srie mostrada na Figura 2-18 [7]. A GROWIAN era uma mquina de
3MW que surgiu na Alemanha, em 1988. Essa mquina possua eixo horizontal e
duas ps. Aps operar por apenas 420 horas, apresentou fadiga em alguns
componentes do rotor devido a excessivas cargas exercidas sobre o rotor. Por
outro lado, no comeo dos anos 80, foi desenvolvida, na Dinamarca, uma turbina
de 22kW, criada por Christian Rsager. Esse projeto teve, como ponto de partida,
a experincia adquirida no projeto da turbina elica Gedser e utilizou alguns
componentes baratos como um motor eltrico e partes de carro, dentre estas, a
caixa de engrenagem e o freio mecnico. Essa turbina foi um sucesso devido ao
baixo custo e deu inspirao a muitas indstrias Dinamarquesas iniciarem o
desenvolvimento de suas prprias turbinas elicas por volta de 1980.
6 A maioria destes prottipos era de duas ps pro razes econmicas, devido ao elevado custa das ps.
26
Figura 2-18. Turbina elica MOD-1 de 2MW [7].
Portanto, como a maioria dos prottipos de larga escala
desenvolvidos nessa poca, como a srie MOD e a GROWIAN, no obtiveram
sucesso no s por problemas tcnicos, mas tambm econmicos, o caminho
encontrado, atravs de experincias adquiridas nesses projetos e o exemplo
dinamarqus, foi que a melhor opo seria comear com turbinas elicas menores,
ou seja, com apenas algumas dezenas de kilowatts, para o amadurecimento da
tecnologia.
A idia de comear com o desenvolvimento de turbinas elicas de
pequena escala (menor que 100 kW), no foi baseada somente nas limitaes
tecnolgicas da poca, mas tambm por produzirem energia muito mais barata
que as turbinas elicas de larga escala (maior que 100 kW) e terem um baixo
custo, podendo, assim, ser compradas, tambm, por pessoas privadas, interessadas
na energia elica, devido s taxas e subsdios governamentais oferecidos energia
elica. Para tornar essas turbinas ainda mais baratas, o controle foi reduzido ao
mnimo necessrio. Baseadas nesta filosofia, muitas das primeiras turbinas
comerciais, produzidas na Dinamarca, utilizaram o sistema de controle
denominado Danish Concept, ou conceito dinamarqus. Este conceito,
simplesmente, descreve uma turbina elica com trs ps, que opera numa
velocidade de rotao constante. Isso permite o uso de um gerador assncrono em
gaiola de esquilo, que barato e robusto e pode ser conectada diretamente rede
sem a necessidade de sistemas eltricos adicionais. As ps do rotor so fixas, ou
27
seja, no podem girar em torno do prprio eixo e a limitao da velocidade
durante tempestades ou rajadas de vento obtido pelo efeito da perda
aerodinmica passiva, provocado aerodinamicamente pelas ps [2][8].
Junto com o desenvolvimento da Indstria Elica, teve inicio um
desenvolvimento tecnolgico que tinha como objetivo a produo de grandes
turbinas elicas para a conexo rede eltrica. A filosofia utilizada era baseada no
fato de que o conhecimento adquirido em uma classe de turbina elica ajudava no
desenvolvimento da prxima classe de maior potncia. Este processo chamado
de aumento de escala e foi um sucesso, tanto que as turbinas elicas produzidas,
atualmente, seguem esta mesma filosofia [8]. O rpido aumento no tamanho das
turbinas elicas, entre os anos de 1957 e 2000 ilustrado na Figura 2-19.
Figura 2-19. Evoluo das turbinas elicas. Fonte ISET
Durante esse desenvolvimento, no somente os componentes
mecnicos tornaram-se mais complexos, como tambm o sistema eltrico e o
controle da turbina que envolve o mesmo. Alguns fabricantes comearam a
produzir as ps com pitch regulation ou regulao de passo, que permite que a p
gire ao redor do prprio eixo. Esse sistema utilizado para limitar a potncia de
sada durante algumas condies adversas, onde a velocidade do vento muito
alta, e tambm, em alguns casos para maximizar a potncia de sada da turbina
elica para baixas velocidades do vento. Outros fabricantes utilizaram conversores
estticos de potncia para variar a velocidade de operao da turbina elica, de
modo a maximizar a potncia de sada numa das regies de operao da turbina
28
elica. Esse conceito foi denominado de operao em velocidade varivel. Alm
disso, alguns fabricantes ainda substituram o gerador assncrono por um gerador
sncrono, para eliminar a necessidade da caixa de engrenagem.
Portanto, atualmente, existe um grande nmero de conceitos de
controle para turbinas elicas como velocidade fixa ou varivel, e a possibilidade
de se usar geradores assncrono ou sncrono, que so tratados com maior detalhe
no Captulos 4. Alm disso, alguns conceitos mencionados, no texto acima, como
regulao por passo, regulao por perda aerodinmica passiva , velocidade fixa,
velocidade varivel, fora de arrasto e fora de sustentao so abordados com
maior detalhe no Captulo 3.
2.4. A Histria da Energia Elica no Brasil
Os primeiros relatos do uso da energia elica no Brasil datam do
final do sculo 19, com a utilizao dos moinhos de vento do tipo leque para o
bombeamento de gua em sistemas isolados e de pequena escala [9].
Como em muitos pases, a crise do petrleo de 1973 incentivou
tambm o estudo de novas fontes de energia no Brasil. A partir da segunda metade
da dcada de setenta, algumas universidades e instituies de pesquisa iniciaram o
desenvolvimento de diversos modelos de moinhos de vento do tipo leque e de
turbinas elicas de pequeno porte, com o objetivo de atender comunidades
isoladas, que dependiam de combustveis fsseis para a gerao de eletricidade.
Infelizmente, vrios desses projetos no chegaram a ser concludos. Dentre esses,
um dos grandes projetos foi construo e o ensaio de 15 prottipos de turbinas
elicas, desenvolvidos pelo IEA-CTA de So Jos dos Campos, entre 1973 e
1983. Em 1976, foi montado o primeiro prottipo, com potncia nominal de 20
kW. Esse prottipo operou por algumas semanas, at apresentar fadiga na
estrutura de suporte das ps [10].
Em 1977, o IEA-CTA iniciou a construo e teste de uma srie de
modelos de 5m de dimetro e potncia nominal de 1kW. Esses prottipos eram
construdos e testados com o objetivo de resolver os problemas eltricos e
29
estruturais de forma progressiva. Entre os melhoramentos alcanados, com esta
metodologia, esto o controle eletrnico do gerador e o projeto de novas ps com
maior eficincia aerodinmica. Devido a problemas de durabilidade dos materiais
do rotor, nenhum dos prottipos operou por mais de um ano e os projetos foram
sendo gradativamente abandonados.
Em 1981, o CTA firmou um acordo de cooperao tecnolgica
com o DFVLR (Centro Aeroespacial da Alemanha) para o desenvolvimento de
uma turbina elica de 100kW, com 25 m de dimetro, denominado, na poca, de
projeto DEBRA (Deustche-Brasil). No CTA foram fabricados os moldes das ps,
inteiramente de materiais compostos, e toda a parte de otimizao aerodinmica.
Todo o resto do projeto foi realizado em conjunto com a Alemanha, exceto o
projeto mecnico, que foi realizado pelos Alemes, porque os componentes
produzidos em ambos os pases apresentavam caractersticas diferentes. Em abril
de 1983, os moldes para a fabricao das ps foram embarcados para a Alemanha,
onde foi construdo e montado o primeiro prottipo para teste em julho de 1984
[10]. Este prottipo foi montado no campo de teste de Schnittlingen. No final de
1983, o projeto foi encerrado no CTA, por motivos de diretrizes internas.
Durante a dcada de 90, vrias entidades nacionais firmaram
acordo de cooperao com entidades estrangeiras para o desenvolvimento de
fontes alternativas no Brasil, principalmente, durante a conferencia do Rio de
Janeiro em 92. Os primeiros projetos experimentais de energia elica foram
implementados na Regio Norte e Nordeste, onde a carncia de abastecimento
eltrico era mais acentuada. A maioria destes projetos visava descentralizao
da gerao de energia eltrica no Brasil. Os principais projetos implementados em
mbito de cooperao internacional foram:
1- Projeto elico-diesel da Ilha de Fernando de Noronha.
A Companhia Energtica de Pernambuco (CELPE), em convenio
com a entidade Dinamarquesa Folkcenter e o Grupo de Energia Elica da UFPE,
instalou, em julho de 1992, na Ilha de Fernando de Noronha, a primeira turbina
elica de grande porte em operao comercial na Amrica Latina (Figura 2-20). O
30
equipamento produziu, no perodo de 1992-1995, uma energia acumulada de
152.926kWh. Este equipamento apresentava as seguintes caractersticas:
- Passo fixo (passive stall)
- 3 ps, com 17m de dimetro
- Torre, com 23m de altura
- Tenso Nominal: 3 - 380 V rms/60Hz
- Potncia Nominal: 90 kVA/75 kW (FP=0.93)
- Transformador de acoplamento a rede: 90kVA/380/13800V
rms
- Velocidade do vento:
- Nominal: 12 m/s
- Partida: 3.5 m/s.
Figura 2-20. Turbina Elica de 75 kW instalada na Ilha de Fernando de Noronha [11].
Com o aumento da demanda de energia, na Ilha de Fernando de
Noronha, a participao da energia elica no consumo de energia reduziu
significativamente, chegando a aproximadamente 3% da demanda total de energia
da Ilha [9],[11]. Para dar continuidade ao aproveitamento elico da Ilha, foi
instalada, em 2000, uma nova turbina de 300 kW.
31
2- Parque Elico Experimental de Morro do Camelinho MG:
A companhia eltrica de Minas gerais (CEMIG) em parceria com o
governo Alemo, que assumiu 70% dos custos totais do projeto, instalaram, em
agosto de 1994, o parque elico de 1MW do Morro do Camelinho, mostrado na
Figura 2-21. As turbinas foram fabricadas pela empresa Alem Tacke
Windtechnik e apresentavam as seguintes caractersticas [11]:
- 4 Turbinas Elicas, de 250 kW cada.
- 3 ps, com dimetro do rotor de 26 m.
- Torre tubular cnica, de 30 m de altura
- Gerador Assncrono de plos chaveados
- Potncia: 80/250 kW
- Rotao: 900/1200 rpm
- Tenso: 3 - 380 V rms/60 Hz
- Velocidade do vento:
- Nominal: 14 m/s
- Partida: 3 m/s
Este foi o primeiro parque elico na escala de megawatt instalado
no Brasil.
Figura 2-21. Parque Elico do Morro do Camelinho. [11]
3 - Projeto elico de Mucuripe CE
O parque elico de Mucuripe foi inaugurado em novembro de 1996
com uma potncia instalada de 1.2 MW. O parque foi construdo com quatro
32
turbinas elicas de 300 kW, modelo TV 300, da empresa alem Tacke
Windtechnik. Esse projeto foi desenvolvido atravs de uma parceria entre a
Companhia Energtica do Cear (COELCE), a Companhia Hidroeltrica do So
Francisco (CHESF) e o governo Alemo, atravs do Programa Eldorado. O
projeto do parque elico de Mucuripe apresenta as seguintes especificaes
tcnicas:
- 4 Turbinas Elicas, de 300 kW cada.
- 3 ps, com dimetro do rotor de 33 m.
- Torre cnica, de 40 m de altura
- Gerador Assncrono de plos chaveados (6/4 plos)
- Tenso: 400 V rms/60 Hz
- Potncia Nominal: 100 kW no 1 estgio e 300 kW no 2
estgio (FP=0.92)
- Velocidade do vento:
- Nominal: 14 m/s
- Partida: 3 m/s
Esse projeto apresentou alguns problemas devidos corroso
causada pela maresia em alguns componentes da turbina. Foram verificados
pontos de corroso na torre, vazamento de leo lubrificante na caixa de
engrenagem, defeito nos sensores de temperatura e mau funcionamento dos
computadores. As solues destes problemas se tornaram mais difceis com a
falncia da Tacke.
Em 1999, surgem os primeiros projetos implementados pela
iniciativa privada. Esses projetos foram impulsionados, principalmente, pela
instalao da primeira fbrica de turbinas elicas de grande porte da Amrica
Latina, a Wobben Windpower. Os principais projetos desenvolvidos pela
iniciativa privada no Brasil foram:
1 - Parque Elico de Taiba e Prainha CE
Em 29 de abril de 1999, foi instalado o maior parque elico da
Amrica Latina, no municpio de Aquiraz, no Cear. O parque elico de Prainha,
33
mostrado na Figura 2-22, composto por 20 turbinas elicas de 500 kW,
produzidas pela Wobben Windpower, totalizando uma potncia instalada de 5
MW [11].
Figura 2-22. Parque Elico de Prainha.
O parque elico de Taba, no municpio de So Gonalo do
Amarante no Cear foi inaugurado em Janeiro de 1999. Este parque composto
por 10 turbinas de 500 kW, produzidas pela Wobben Windpower, totalizando uma
potncia instalada de 5 MW. A Figura 2-23, mostra uma viso geral do parque de
Taba.
Figura 2-23. Parque Elico de Taba.
Uma caracterstica interessante destes dois parques elicos que
ambos foram construdos sobre dunas, sendo esta a primeira experincia mundial
na construo de uma fundao para este tipo de terreno [9].
34
2- Parque elico de Palmas Paran
O primeiro parque elico instalado na Regio Sul do Brasil foi
instalado em 1999, em Palmas, no Paran (Figura 2-24). O parque elico de
Palmas composto por cinco turbinas de 500 kW, fabricadas pela Wobben
Windpower, totalizando uma potncia instalada de 2.5 MW.
Alm dos dois parques elicos mencionados acima, a iniciativa
privada tambm desenvolveu mais trs parques elicos at o final de 2003. Em
2002 foi construdo o primeiro parque elico em Santa Catarina, na cidade Bom
Jardim da Serra, com uma potncia instalada de 600 kW. E, em 2003, foram
construdos os parques elico de Horizonte, em Santa Catarina, com um potncia
instalada de 2.4 MW, e o parque elico de Macau, no Rio Grande do Norte, com
uma potncia instalada de 1.8 MW, sendo este ltimo pertencente a Petrobrs. Em
todos estes parques foram utilizadas turbinas elicas E-40 de 600 kW produzidas
pela Wobben Windpower.
Como pode ser observada, a histria da energia elica no Brasil
iniciou-se atravs do desenvolvimento de projetos experimentais, sendo que a
maioria destes projetos foi realizada em parceria com instituies internacionais,
que totalizam uma potncia instalada de aproximadamente 2.6 MW, e, mais
recentemente, atravs da iniciativa privada, que instalou uma potncia de
aproximadamente 20 MW at o final de 2003.
Figura 2-24. Parque Elico de Palmas.
35
2.5. Sumrio
Neste captulo, inicialmente, so apresentadas as principais
motivaes do uso da energi
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