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Processamento da Energia Eólica

Professor: Marcello Mezaroba Dr.

Email: marcello.mezaroba@udesc.br

Maio de 2016

Sumário

I. Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

II. Funcionamento de um gerador eólico horizontal

III. Ação aerodinâmica em aerogeradores

IV. Controle de velocidade e potência

V. Principais tecnologias de aerogeradores

VI. Principais conversores para acionamento

VII.Funcionalidades de geradores eólicos modernos

VIII.Futuras tecnologias

Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

Componentes de um aerogerador de eixo horizontal

Funcionamento de um gerador eólico horizontal

Forças atuantes em uma pá de aerogerador

Ação aerodinâmica em perfis estacionários

Cw – Coeficiente de

sustentação (depende do

ângulo de ataque (α) e da

turbulência

v – Velocidade do vento

A – Área da superfície

ρ – Densidade do ar

Efeito Bernoulli

Ação aerodinâmica em perfis estacionários

Perfil aerodinâmico

Fx - Força de Arrasto (drag)

Fy - Força de Sustentação (lift)

Cx – Coeficiente de arrasto

Cy - Coeficiente de sustentação

𝐶𝑦

𝐶𝑥

= 1

𝑡𝑔( )

Ação aerodinâmica em perfis em rotação

𝑣 - velocidade estacionária

𝑢 - velocidade de giro

𝑐 - velocidade relativa do vento

𝐹𝑥 - Força de Arrasto (drag)

𝐹𝑦 - Força de Sustentação (lift)

𝐹𝑎- Força axial

𝐹𝑢- Força util (rotação)

Ação aerodinâmica em perfis em rotação

Teorema de Betz e potência

Potência extraída do vento

Coeficiente de potência

v - Velocidade do vento antes das pás

vo – Velocidade do vento após as pás

ρ - Densidade do ar

A - Área coberta pelas pás da turbina eólica

𝐾 =𝑣𝑜

𝑣

Equação de Betz

Teorema de Betz e potência

r - Raio da turbina

- Velocidade angular da hélice

β - ângulo de passo da turbina

=𝑢

𝑣=

𝑟

𝑣

Potência máxima depende de “”

Controle de velocidade e potência

Controle por estol (stall)

O efeito de estol ocorre quando o fluxo

de ar na superfície do perfil deixa,

abruptamente, de fixar‐se à superfície,

passando a girar em um vórtice irregular

(turbulência) e assim a força de

sustentação diminui.

• Estrutura de cubo do rotor simples

• Menor manutenção devido a um

número menor de peças móveis

• Auto-confiabilidade do controle de

potência.

• Sobrecarga mecânica nas hélices

Controle de velocidade e potência

Controle por ângulo de passo (pitch)

Esse controle é feito movendo‐se aletas em cada pá

através de servomecanismos de modo a incrementar ou

decrementar poucos graus cada vez que o vento mudar

sua intensidade de modo a manter um ângulo ótimo

para extração de potência para todas as

velocidades do vento.

Controle de velocidade e potência

Controle por ângulo de passo (pitch)

• Controle de ativo de potência ativo sob todas as

condições de vento

• Ajuste de potência em função da massa

específica do ar (grandes altitudes dos sítios, altas

temperaturas)

• Maior produção de energia sob as mesmas

condições (sem diminuição da eficiência na

adaptação ao estol da pá)

• Partida simples do rotor pela mudança do passo

• Fortes freios desnecessários para paradas de

emergência do rotor

• Cargas das pás do rotor decrescentes com ventos

aumentando acima da potência nominal

• posição de embandeiramento das pás do rotor

para cargas pequenas em ventos extremos

• massas das pás do rotor menores levam a

massas menores dos aerogeradores.

Diagrama de blocos do controle de um aerogerador

Controle de velocidade e potência

Mapa tecnológico de aplicações em turbinas eólicas

Principais tecnologias de aerogeradores

CS – velocidade constante com

multiplicador e gerador de indução

DFIG – velocidade variável com

multiplicador e gerador de indução com

rotor bobinado e acionamento parcial

DD EE – velocidade variável com

gerador síncrorono e acionamento total

DD PM – velocidade variável com

gerador síncrono de ímãs permanentes e

acionamento total

GFC PM – velocidade variável com

multiplicador, gerador síncrono de ímãs

permanentes e acionamento total

GFC IG - velocidade variável com

multiplicador , gerador de indução e

acionamento total

Principais tecnologias de aerogeradores

Gerador de indução com rotor gaiola de esquilo - CS

• Acionamento direto da rede

• Velocidade constante

• Necessita circuito de partida (in-

rush)

• Capacitores para compensação

de reativos

Principais tecnologias de aerogeradores

Gerador de indução com rotor bobinado - DFIG

• Caixa multiplicadora multiestágios

• Velocidade variável (60% a 110%)

• Gerador padrão de baixo custo

• Acionamento parcial (25% Pn)

• Possibilita MPPT

Principais tecnologias de aerogeradores

Gerador Síncrono com acionamento direto - DD

• Acionamento eletrônico total

• Dispensa caixa multiplicadora

• Velocidade variável

• Menor manutenção

• Custo elevado

Principais tecnologias de aerogeradores

Gerador síncrono de imãs permanentes• Acionamento eletrônico total

• Utiliza caixa multiplicadora

• Velocidade variável

• Custo elevado

• Melhor comportamento durante

falhas na rede.

Principais conversores para acionamento

Conversor back to back com inversor de tensão 2 níveis (2L-BTB)

Principais conversores para acionamento

Conversor back to back com inversores em paralelo (Parallel 2L-BTB)

Principais conversores para acionamento

Conversor back to back com inversor de tensão 3 níveis (3L-NPC BTB)

Aerogeradores com velocidade constante

Estrutura de Controle para aerogeradores

Estrutura de Controle para aerogeradores

Aerogeradores com velocidade variável

Controle de turbinas modernas

Estrutura de Controle para aerogeradores

Funcionalidades de geradores eólicos modernos

Funcionalidades de geradores eólicos modernos

Operação em conjunto com armazenamento de energia

Funcionalidades de geradores eólicos modernos

Operação em conjunto com armazenamento de energia

Principais configurações para despacho de energia

Futuras tecnologias para transmissão da energia eólica

Conversores com isolação em

média frequência

Conversores multiníveis

modulares sem isolação

Referências Bibliográficas

1. F. Blaabjerg and K. Ma, "Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems," in IEEE Journal of

Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 1, no. 3, pp. 139-152, Sept. 2013.

2. H. Polinder, "Overview of and trends in wind turbine generator systems," 2011 IEEE Power and

Energy Society General Meeting, San Diego, CA, 2011, pp. 1-8.

3. L. Y. Pao and K. E. Johnson, "A tutorial on the dynamics and control of wind turbines and wind

farms," 2009 American Control Conference, St. Louis, MO, 2009, pp. 2076-2089.

4. H. Polinder, J. A. Ferreira, B. B. Jensen, A. B. Abrahamsen, K. Atallah and R. A. McMahon, "Trends in

Wind Turbine Generator Systems," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power

Electronics, vol. 1, no. 3, pp. 174-185, Sept. 2013.

5. Gabriel Tibola. Sistema eólico de pequeno porte para geração de energia elétrica com rastreamento

da máxima potência. 2009. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal

de Santa Catarina.

6. Daniel Augusto Figueiredo Collier. Modelagem e Controle de Retificadores PWM Trifásicos

Conectados a Geradores Síncronos a Ímas Permanentes em Sistemas de Conversão de Energia

Eólica. 2011. Dissertação (Mestrado em Eng. Elétrica) - Universidade Federal de Santa Catarina.

7. Energia Eólica - Princípios e Tecnologias e-book Organização: Ricardo Dutra

8. http://www.alternative-energy-tutorials.com/wind-energy/synchronous-generator.html

9. http://www.homofaciens.de/technics-electric-motors-synchronous-motor_en_navion.htm

10. https://www.comsol.com/blogs/simulating-permanent-magnet-generators/

11. https://www.youtube.com/watch?v=p5k2LhKBSgQ