Tecnologia Eólica para Produção de Energia Eléctrica · eólicos, máquinas eólicas e...

Escola de EngenhariaDep. Electrónica IndustrialUniversidade do Minho

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Tecnologia Eólica para Produção de Energia Eléctrica

Mafalda [email protected]

Departamento de Electrónica Industrial


O que O que éé a Energia Ea Energia Eóólica?lica?

A energia eólica, é a energia cinética do ar em movimento (ventos), que pode ser aproveitada pelo homem para realizar trabalho útil.


Como Como éé medida e quantificada medida e quantificada a Energia Ea Energia Eóólica?lica?

• A energia eólica é medida através de sensores de velocidade e de direcção do vento, denominados anemômetros.

• Em geral, a velocidade do vento é medida em m/s (metros/segundo).

• O parâmetro mais importante é a velocidade média do vento, mas é desejável conhecer também a sua distribuição estatística de velocidades.


O que são O que são aerogeradoresaerogeradores??

• Aerogeradores, turbinas eólicas, geradores eólicos, máquinas eólicas e cata-ventos, são os diversos nomes utilizados para as máquinas capazes de transformar a energia cinética dos ventos em energia mecânica, ou em energia eléctrica, para aplicar em diversas aplicações


Como funciona um aerogerador?Como funciona um aerogerador?

• O princípio de funcionamento baseia-se na conversão da energia cinética, que é resultante do movimento de rotação causado pela incidência do vento nas pás do aerogerador.

• A quantidade de electricidade que pode ser gerada pelo vento depende de quatro factores: da quantidade de vento que passa pela hélice, do diâmetro da hélice, a dimensão do gerador e o rendimento de todo o sistema.


Existem muitos tipos de Existem muitos tipos de aerogeradoresaerogeradores??

• Actualmente as máquinas de grande porte disponíveis são, em esmagadora maioria máquinas tripás de eixo horizontal.

• As máquinas bipás, monopás, quadripás e multipás de eixo horizontal, além das máquinas Darrieus e Savonius de eixo vertical, bem como diversos outros dispositivos. Estas inúmeras variantes são normalmente utilizadas apenas para máquinas de pequeno porte.


Este tipo de tecnologia Este tipo de tecnologia éé nova?nova?

Não. Como se pode observar pela figura:


EvoluEvoluçção da Tecnologiaão da Tecnologia

Novo paradigma: Utilização do vento para geração de Energia Eléctrica.

- Aerogeradores de Pequeno Porte (expansão territorial em sist. isolados)

- Aerogeradores de Grande Porte (pesquisas e desenv. industrial)


EvoluEvoluçção da Tecnologia (ão da Tecnologia (contcont.).)

• Aerogeradores de pequeno porte (Século XX)

- desenvolvimento de modelos entre 5 e 25 kW pela Dinamarca, utilização do modelo Jacobs no meio rural

(décadas 30 e 60)



• Aerogeradores de grande porte

-Turbina Eólica de Brush(1888 - 1908)

• Potência de 12 kW• Rotor com 17 m de diâmetro• Torre de 18m e 144 pás.• Accionamento delâmpadas Incandescentes.



• Aerogeradores de grande porte (cont.)

- Turbina Eólica Balaclava(1931 - 1934)

• Potência de 100 kW• Torre de 30m e 2 pás.• Interligação com a rede• Posicionamento via trilhos



• Aerogeradores de grande porte (cont.)

-Turbina Eólica Smith- Putnam(1941- 1945)

• Potência de 1.25 MW• Rotor com 53.3 m de diâmetro• Torre de 33.3m e 2 pás.• Interligação com a rede


Aerogeradores de grande porte Aerogeradores de grande porte (s(sééc. XX)c. XX)

• Desenvolvimento de pesquisas em energia eólica de grande porte após a 2º Guerra Mundial.

• Iniciativa de vários países tais como França, Dinamarca, Estados Unidos, Rússia, Alemanha e Inglaterra em pesquisas de grandes aerogeradores.

Turbina eólica de GedserDinamarca

1977200kW

Turbina MOD-5B Estados - Unidos

1987 3.5MW

Turbina de eixo Vertical

Estados – Unidos (1984 – 1987)

625kW


EvoluEvoluçção comercial das turbinasão comercial das turbinasEEóólicaslicas


Aerogeradores instalados no MundoAerogeradores instalados no Mundo

Total Instalado 1999: 13.000 MWTotal Instalado 2000: 17.500 MW

Total Instalado 2001: 24.600 MW*


ConstituiConstituiçção de um Sistema Eão de um Sistema Eóólicolico

1- Cubo do rotor2- Pás do rotor3- Sistema hidráulico4- Sistema de posicionamento5- Engrenagem de posicionamento6- Caixa multiplicadora7- Disco de freio8- Acoplamento do gerador eléctrico9- Gerador eléctrico10- Sensor de vibração11- Anemômetro12- Sensor de direcção13- Nacele, parte inferior14- Nacele, parte superior15- Rolamento de posicionamento16- Disco de freio de posicionamento17- Pastilhas de freio18- Suporte do cabo de força19- Torre


ConstituiConstituiçção de um Sistema Eão de um Sistema Eóólicolico((contcont.).)

• Rotor EólicoO rotor é o componente do sistema eólico responsável por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica de rotação. É o componente mais característico de um sistema eólico. Por este motivo, a configuração do rotor influencia directamente o rendimento global do sistema.

- Rotores de Eixo Horizontal- Rotores de Eixo Vertical


Rotores de Eixo HorizontalRotores de Eixo Horizontal

Este é o tipo de rotor mais eficiente, mas requer sistemas mecânicos mais complexos que os de eixo vertical. Normalmente dividem-se em 3 grupos: rápidos (2 a 3 pás), velocidade média (3 a 6 pás) e lentos (6 a 24 pás). Actualmente são as turbinas mais utilizadas.


Rotores de Eixo VerticalRotores de Eixo Vertical

Não são muito usados, pois o aproveitamento do ventoé menor. A grande vantagem é a sua independênciada direcção do vento, no entanto os esforços nas pásexercidos pela força centrífuga limita a suavelocidade.As mais comuns: SAVONIUS, DARRIEUS e MOLINETE.


Transmissão e Caixa MultiplicadoraTransmissão e Caixa Multiplicadora

A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor atéao gerador. É composta por eixos, engrenagens de transmissão e acoplamentos. A figura1 apresenta a localização da caixa multiplicadora dentro do sistema de geração eólica.


Mecanismos de ControloMecanismos de Controlo

Os mecanismos de controlo destinam-se àorientação do rotor, ao controlo de velocidade, ao controlo de carga, etc. Pela variedade de controlos, existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou electrónicos (controlo da carga).

- Controlo de Passo - Controlo Stall


GeradorGerador

A transformação da energia mecânica de rotação em energia eléctrica através de equipamentos de conversão electromecânica.O tipo de gerador, decididamente, influencia o comportamento do aerogerador e as suas interacções com a rede.

- Geradores Síncronos - Geradores Assíncronos


TorreTorre

As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento, estão sujeitas a inúmeros esforços, às forças horizontais, à resistência do rotor e à força do vento.

As forças impostas pelo mecanismo de controlo de rotação e os esforços verticais (peso do próprio equipamento), não devem ser desprezados. É um item estrutural de grande porte e de elevada contribuição no custo inicial do sistema.


Regras gerais da energia ERegras gerais da energia Eóólicalica

Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo:Mas o trabalho realizado pelo vento - que neste caso éigual à energia cinética - é: , então: mas como , temos:

onde ‘ro’ é a densidade do ar, V é a velocidade do vento e A éa área varrida pelas hélices do rotor. Talvez seja, a equação mais importante para se conhecer o aproveitamento da energia eólica.


O Futuro das Fontes Renováveis deEnergia


ConclusõesConclusões

A utilização da energia eólica na matriz energética global mostra-se como uma das mais importantes opções para a geração de energia limpa e sustentável possibilitando assim uma melhor qualidade de vida para as futuras gerações da sociedade.


ObrigadaObrigadapela Vossa Atenpela Vossa Atençção!ão!

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