tecnologias de operação e controle de aerogeradores
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Tecnologias de Operação e Controle de Aerogeradores
Eng. Antonio Carlos de Barros Neiva
MSc., MBA
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Sumário
• Fundamentos de energia eólica
• Aerodinâmica aplicada
• Geradores e sistemas acessórios
• Sistemas de controle
• Aerogeradores de Pequeno porte
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Diagrama de Ennio (Ignacio, 2007)
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Princípio de um Aerogerador
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Princípio de um Aerogerador
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Energia e Potência Extraída do Vento
Potência do Vento =
Pelo teorema de
Rankine-Froude
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Relação entre Potência e Diâmetro para 4 velocidades de vento
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Perfil de velocidade e turbulência
(Cranfield, apud Castro, 2003)
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Variação da velocidade em função da altura
• Equação logarítmica ou potencial
• Influência da turbulência convectiva
(não considerada)
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Simulações
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Aerogeradores de eixo vertical
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Tipos de Aerogeradores
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Normas e Etiquetagem
• International Electrtechnical Comission Série IEC 61400 (25)
• 3 normas já foram traduzidas para o português e adotadas pela ABNT:
• ABNT NBR IEC 61400-1:2008 - Requisitos de projeto
• ABNT NBR IEC 61400-21:2010 - Medição e avaliação das características da qualidade da energia de aerogeradores conectados à rede
• ABNT NBR IEC 61400- 12-1:2012 - Medições do desempenho de potência de aerogeradores
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• Estabelece critérios para o Programa de Avaliação da Conformidade para Aerogeradores com foco no desempenho, através do mecanismo de certificação, atendendo aos requisitos especificados nas normas técnicas IEC 61400-11 e ABNT NBR IEC 61400-12-1
• Institui no âmbito do Sistema Brasileiro de Avaliação da Conformidade – SBAC, a certificação voluntária para Aerogeradores, a qual deverá ser realizada por Organismo de Certificação de Produto – OCP, estabelecido no país e acreditado pelo Inmetro consoante os Requisitos ora aprovados.
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• Modelo de Certificação 4 - Ensaio de tipo seguido de verificação através de ensaio em amostras retiradas no comércio ou no fabricante (aplicável somente para aerogeradores de potência nominal até 100 kW)
• Modelo de Certificação 5 - Ensaio de tipo, avaliação e aprovação do Sistema de Gestão da Qualidade do fabricante, acompanhamento através de auditorias no fabricante (aplicável para aerogeradores de qualquer potência nominal).
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Fator de Capacidade
• Conceito aplicado a qualquer sistema de geração de energia elétrica
• No caso Eólico, depende da eficiência da maquina, do regime de ventos e de disponibilidade (paradas de manutenção)
𝐹𝐶 =𝐸𝑝
𝑃[𝑘𝑊] . ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑎 . 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑛𝑜
𝐹𝐶 =𝐸𝑝
𝑃[𝑘𝑊] .24.365=
𝐸𝑝
𝑃[𝑘𝑊] .81760
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• Eólica bate novo recorde de geração e de potência instalada em 2015: Fc=52% em 09/15 e pico de geração instantânea em nov. com 10% de toda energia injetada no SIN (Agência CanalEnergia)
Fator de Capacidade
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Fator de Capacidade
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• Fundamentos de energia eólica
• Aerodinâmica aplicada
• Geradores e sistemas acessórios
• Sistemas de controle
• Aerogeradores de Pequeno porte
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Forças de sustentação e arrasto
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Curvas de sustentação e arrasto
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Estol
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Torção e perfil da pá
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Aerodinâmica e estrutura
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• Fundamentos de energia eólica
• Aerodinâmica aplicada
• Geradores e sistemas acessórios
• Sistemas de controle
• Aerogeradores de Pequeno porte
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Componentes principais
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Componentes principais
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Geradores de energia
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Gerador assíncrono ou de indução
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• Muito comuns na indústria eólica mundial de grande porte
• Relativamente baratos quando comparados com geradores síncronos
• Tem bobinas no rotor, e para sua excitação é necessário o uso de escovas pra transmissão da energia
• Desgaste das escovas=> manutenção, sendo esta manutenção uma desvantagem deste tipo de gerador, principalmente para sistemas de pequeno porte.
Gerador Assíncrono
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Gerador Síncrono
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Gerador Síncrono de imãs permanentes
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Gerador de relutância variável
Configurações típicas do GRV: (a) 4 fases 8/6 e (b) 3 fases 12/8
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Gerador de relutância variável
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Caixas de engrenagens
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• Fundamentos de energia eólica
• Aerodinâmica aplicada
• Geradores e sistemas acessórios
• Sistemas de controle
• Aerogeradores de Pequeno porte
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Sistemas de controle
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Objetivos do sistema de controle
• Otimizar potencia gerada através do controle de rotação e do controle de passo;
• Garantir a segurança, principalmente em função de fatores meteorológicos adversos – Ventos extremos – possível causador de sobrevelocidade;
• Garantir a qualidade da energia gerada (frequência e voltagem)
• Procedimentos de partida e parada do equipamento; • Torção dos cabos que se conectam à nacele; • Alinhamento do rotor ao vento incidente.
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Controle da rotação
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Rotação constante
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Rotação variável
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Curvas para otimizar rotação MPPT
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• Controle de passo e rotação
Curvas para otimizar rotação MPPT
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Controle de passo da pá
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Controle de passo
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Controle por estol – passo fixo
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Controle de Estol
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Controle de estol ativo
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Controle de estol ativo
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Controle de passo x
Controle de estol
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Objetivos do sistema de controle
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• Fundamentos de energia eólica
• Aerodinâmica aplicada
• Geradores e sistemas acessórios
• Sistemas de controle
• Aerogeradores de Pequeno porte
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Porte dos aerogeradores
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Dimensões de APP’s Aerogeradores de Pequeno Porte
Dimensões de um aerogerador de pequeno porte (~5 kW) em relação a um gerador de grande porte (~2 MW). Adaptado de (RENEWABLEUK, 2010)
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Grandeza do “Pequeno Porte”
IEC 61400-2: Design Requirements For Small Wind Turbines: A < 200m2 ou f ~< 16m
P < 10 kW a 40 kW.
Segundo EWEA (2009) vários países definem como APP’s aqueles com potência nominal abaixo de 100 kW.
Várias instituições apresentam distintas definições do que é “pequeno porte”.
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Normas para APP´s
• Portaria INMETRO 168:2015 - Ensaio de tipo seguido de verificação através de ensaio , para aerogeradores de potência nominal até 100 kW
• AWEA Standard 9.1:2009 - AWEA Small Wind Turbine Performance and Safety Standard
• UL 6142:2012- Standard for Safety for Small Wind Turbine Safety
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Incentivos aos APP´s
• Geração Distribuída
• Resolução 482 da ANEEL: Sistema de compensação de energia
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Capacidade mundial de produção de energia em APP. Fonte: WWEA 2015
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Aerogeração de pequeno porte na Inglaterra em GWh
Fonte: Small and Medium Wind Market Report 2013 RUK
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Análise de Investimento em APP´s
• O investimento em energia limpa e renovável não deve ser feito somente considerando o retorno financeiro, mas também:
• Segurança Energética para Vida e Produção
• Previsibilidade independente da política
• Aspectos sociais de emprego e renda.
• Educação ambiental